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ELECTROTECHNIQUE

Leçon : B3

Objectifs : - Identifier un moteur asynchrone à cage.
- Mettre en œuvre un moteur asynchrone.
Domaine d’utilisation :
Le moteur asynchrone triphasé, dont la puissance varie de quelques centaines de watts (perceuse d’établi)
à plusieurs mégawatts (Traction ferroviaire) est le plus utilisé de tous les moteurs électriques. Son rapport
coût/puissance est le plus faible.
Associés à des onduleurs de tension, les moteurs asynchrones de forte puissance peuvent fonctionner à
vitesse variable dans un large domaine (les derniers TGV de l’Europe...).

A- Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone :
1- Phénomène de champ tournant :
L’aimant en forme de U en rotation autour d’un axe vertical avec ses deux pôles NORD et SUD
en déplacement physique crée dans l’espace un champ magnétique tournant.
On fait tourner à l'aide d'un aimant
une aiguille aimantée mobile sur un axe.

On fait tourner à l'aide d'un aimant une boite
métallique non ferromagnétique (cuivre, aluminium, ..)

n1
n1

n2

n3

On note n1, n2 et n3 les fréquences de rotation de l’aimant, de l'aiguille aimantée et de la boite métallique.
 L'aiguille aimantée tourne …………………………….……………… que l'aimant (n1…..n2) :
c'est le principe des moteurs………………………………………….………….
 Le boîtier métallique tourne à une fréquence de rotation…………………………..……………………
que celle de l'aimant (n3…....n1) : c'est le principe des moteurs …………………………………………

2- Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone :
Ce même phénomène vu peut être obtenu autrement
en plaçant …………………………. physiquement fixes
dans l’espace disposées à ………….. l’une par rapport
à l’autre et alimentées par ……………………………

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B- Constitution d’un moteur asynchrone A ROTOR EN COURT-CIRCUIT :

1- Le stator:
Il est constitué ………………………………. (Bobines) parcourus par des courants alternatifs triphasés et qui
peuvent être couplés en étoile Y ou en triangle ∆ selon le réseau d’alimentation. Chaque bobine est divisée
en p tranches réparties sur tout le stator et appelés …………………………….. La vitesse de rotation du
champ magnétique tournant dépend du nombre …... de paires de pôles du stator.

2- Le rotor :
Le rotor est constitué d’un empilage de tôles minces en fer découpé pour créer des encoches
Il n’est relié à aucune alimentation. Il peut être bobiné ou en cage d’écureuil:

Rotor bobiné pour les machines de fortes puissances :
Les tôles de ce rotor sont munies d’encoches où sont
logés des conducteurs formant des bobinages.
On peut accéder à ces bobinages par l’intermédiaire de
trois bagues et trois balais.

Rotor à cage d’écureuil pour les machines de moyenne ou faible puissance:
Il est constitué de barres conductrices très souvent en aluminium. Les extrémités de ces barres sont réunies
par deux couronnes également conductrices. Il est très répandu dans le domaine industriel, de par sa
grande robustesse mécanique, son faible coût et sa très bonne standardisation.

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Remarque : Le rotor tourne TOUJOURS moins vite que le champ tournant. De cette façon il est toujours
balayé par le champ tournant et se transforme en une pièce magnétique.
Ce qui donne le nom de moteur asynchrone. Cette différence de vitesse s’appelle le glissement.
Dans les deux cas, le circuit rotorique est mis en court-circuit (par des anneaux ou un rhéostat)

 Vitesse de synchronisme (du champ tournant) :
ns =…………………..

(ns en tr/s)

Pour f= 50 Hz :

ns =…………………..

(ns en tr/min)

Moteur bipolaire

p = ………….

ns = ……………..

Moteur tétrapolaire

p = ………….

ns = ……………..

Moteur hexapolaire

p = …………

ns = ……………..

Moteur octopolaire

p = …………..

ns = …………….…

 Glissement :
Le glissement g est définit par l’écart relatif entre la vitesse du rotor et la vitesse du champ tournant.
Il dépend de la charge accouplée au moteur. Le glissement est sans unité.
n, ns : vitesse en tr.mn-1
p : Nombre de paire de pôles
f : fréquence d’alimentation en Hz
On l’exprime souvent en %, ordre de grandeur 3 à 5 % (pour le nominal)
Application : Sachant que f = 50Hz, compléter le tableau suivant :

Moteur : M1
Nombre de paire de pôles p
ns (tr/min)
n (tr/min)
Glissement g en %

Moteur : M2

Moteur : M3

1
1500
1440
1,6

3

C- Couplage d’un moteur asynchrone sur le réseau :
1- Couplage du stator :
La plus petite tension inscrite sur la plaque signalétique du moteur doit se retrouver aux bornes d'un
enroulement. Suivant le réseau triphasé utilisé, le couplage sera en étoile ou en triangle.

REGLE : Si la petite tension du moteur (c'est à dire la tension supportée par un enroulement du stator) est
égale à la tension …………… du réseau, le stator sera couplé en …………….. , et si elle correspond à la
tension ……………….. du réseau, on couple le stator en ……………….

Exemples :
Moteurs
Réseaux

127/220V

220/380V

380/660V

127/220V
220/380V
380/660V

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La plaque à bornes du moteur :
La plaque à bornes du moteur à toujours les entrées des enroulements repérées U1, V1, W1 et les sorties
correspondantes U2, V2, W2 qui sont raccordées comme la figure suivante :

Exploitation des données de la plaque signalétique :

Si on travaille sur un réseau triphasé de 400 V (tension entre phases), il faudra coupler le stator en...............
Si on travaille sur un réseau triphasé de 230 V (tension entre phases), il faudra coupler le stator en ………...
Dans le cas d'un couplage triangle (Δ):
U = …………… ; I = ………… ; cosφ= ………… ; Pa = …………………………………………….
Dans le cas d'un couplage étoile (Y):
U = …………… ; I = ………… ; cosφ= ………… ; Pa = …………………………………………….
Ce qui conduit à un rendement au point de fonctionnement nominal :
η= ……………………………………………..
Et au même point de fonctionnement, le moment du couple utile
Tu = …………………………………..

Tu = ……………………………………

La fréquence de synchronisme est ………………. ==> p =………..
==> g = ………………………………………….

2- Inversion du sens de rotation :
Pour inverser le sens de rotation d’un moteur
asynchrone triphasé, il suffit d’inverser deux fils
d’alimentation du moteur.

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D- Fonctionnement ou essai à vide :
A vide le moteur n’entraîne pas de charge, la puissance utile Pu = …………………
Le glissement est presque……………et le moteur tourne à la vitesse de synchronisme.
Le facteur de puissance à vide cos φ0 est très faible.
La puissance active absorbée est faible. Elle est transformée totalement en chaleur :
 Dans le stator à cause des pertes par effet joule : Pjs0
Pjs0 =………….

(Cas du couplage étoile)

Pjs0 =…………

(Cas du couplage triangle)

Pjs0 =…………

(Quel que soit le couplage)

r : résistance de l’enroulement statorique
Ra : résistance mesurée entre deux bornes.

 Dans les paliers à cause du frottement entre des pièces mécaniques : pertes mécaniques Pm
 Dans la masse métallique à causes des effets de l’hystérésis et des courants de Foucault qui sont
des pertes qui dépendent de la fréquence du réseau. : pertes fers statoriques Pfs
Pour une fréquence donnée, les deux dernières pertes sont pratiquement constantes et ne dépendent pas
de la charge. Elles ne sont pas calculables. Elles sont déterminées par l’essai à vide.

E- Fonctionnement en charge :
Le glissement est important et le moteur tourne à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme :
La puissance utile est fonction de la charge entraînée. Si la charge présente un couple résistant Tr,
la puissance mécanique utile Pu est alors: Pu = Tr.Ω (avec Tr en N.m et Ω en rad.s-1)
 La charge impose un couple résistant de moment ………… sur l'arbre qui tourne à la vitesse .
 Le moteur doit fournir un couple utile de moment Tu, à l'équilibre ……………………………
 Le point de fonctionnement du groupe moteur-charge se situe à…………………………………….…..
des caractéristiques mécaniques : Tu = f(n) et Tr = f(n) des deux machines.
Lors de cet essai, le facteur de puissance en charge cos φ est élevé. Le stator appelle un courant actif
important et le moteur absorbe davantage de puissance active:
Les pertes joules dans le stator Pjs augmentent car le courant dans les bobinages est important.
Les pertes constantes (mécaniques Pm et magnétiques Pfs au stator) restent les mêmes qu’à vide.

Caractéristique mécanique Tu = f (n)
Cette caractéristique montre que le moment
du couple utile Tu est important au démarrage;
présente un maximum; varie de façon presque
linéaire au voisinage de la fréquence de rotation
nominale.
Cette zone correspondant au fonctionnement
normal du moteur, nous y établissons l’équation
de la caractéristique:
(tr/min)

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Tu = a.n + b

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Caractéristique électromécanique I = f(n)

Le courant est très élevé au démarrage. Puis à, partir de 80% de la vitesse de synchronisme (g=20%), le
courant décroit rapidement jusqu’au point de fonctionnement à vide « P0 »

Méthodes de calcul du point de fonctionnement :
 Si l'on dispose des deux caractéristiques mécaniques, on les trace sur le même repère et on lit les
coordonnées de leur point d'intersection.
Tu (N.m)
Tu = f (n)
Moteur

3Tn

Point de
fonctionnement

2Tn
M

Tr = f (n)
Charge

Tn

n (tr/min)
 Si l'on connaît les relations mathématiques Tu = f(n) et Tr = f(n), on résout l'équation Tu = Tr
(S’il existe plusieurs solutions, on ne conserve que celle qui à un sens physique).
Exemple:
Cas d’une charge ayant un couple résistant proportionnel au carré de la vitesse : Tr = c.n2 ; Tu = a.n + b ;
Au point de fonctionnement on a :

Tu =Tr

a.n + b = c.n2

Finalement, il faut résoudre une équation du second degré: c.n2 - a.n - b = 0
En étudiant les deux solutions trouvées, on retiendra celle du cadran positif.

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F- Bilan des puissances :
En remplaçant le stator et le rotor par deux modèles fonctionnels équivalents, un moteur asynchrone peut
être dans ce cas représenté par le schéma suivant:

Pfs

Pm

Pjs
STATOR


PM

Ptr

Pa

Pu

Pjr
ROTOR

Puissance absorbée par le stator :

 Puissance transmise au rotor :

 Puissance mécanique totale :

 Puissance mécanique utile :

 Pertes par effet Joule dans le stator :
Pjs =………….

(Cas du couplage étoile)

Pjs =…………

(Cas du couplage triangle)

Pjs =…………

(Quel que soit le couplage)

r : résistance de l’enroulement statorique
Ra : résistance mesurée entre deux bornes.

 Pertes par effet Joule dans le rotor :
 Pertes constantes ou collectives : (pertes mécaniques + pertes fers statoriques) : Pc



Rendement :

 Couples en N.m:

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G- Commande et protection en basse tension :
L’énergie électrique, mise à la disposition des industriels ou des particulières par l’intermédiaire d’un réseau
de distribution, ne peut être connecté en permanence sur l’ensemble de récepteurs.
Il est donc nécessaire d’employer des systèmes de commande de puissance permettant le transfert ou
l’interruption de l’énergie électrique en provenance du réseau, vers le ou les récepteurs en remplissant trois
fonctions de base nécessaires à toute chaîne d’alimentation électrique.
Source
D’énergie

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Fonction
Sectionnement

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Fonction
Commande

Fonction
Protection

Récepteur
Actionneur

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H- Mode de démarrage :
1- Démarrage direct à un seul sens de rotation:
Le moteur est branché directement sur le réseau. Ce type de démarrage est adapté aux moteurs de faible
puissance (moins de 3kw en 220V et de 5 KW en 380V).

Fonctionnement : Après avoir fermé le sectionneur « Q » l’action sur « S2 » alimente « KM » le contact
1KM maintien son alimentation, le moteur fonctionne. L’arrêt du moteur est provoqué par l’action sur « S1 »
ou par « F » suite à une surcharge lente.

2- Démarrage direct (deux sens de marche) :

Avantages
 Simplicité de l’appareillage.
 Couple important.
 Temps de démarrage court.

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Inconvénients
 Appel du courant important
 Démarrage brutal

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3- Démarrage étoile-triangle :
a- Principe : ce procédé est utilisé pour limiter le courant de démarrage pour le moteur de forte puissance.
Le principe du démarrage étoile triangle consiste à sous-alimenter le moteur durant presque toute la
durée du démarrage en le couplant en étoile.
Il faut donc utiliser un moteur normalement couplé en triangle et dont toutes les extrémités
d’enroulement sont sorties sur la plaque à bornes.
Exemple : Sur un réseau 230/400 V il faut donc utiliser un moteur 400/660 V
Le démarrage s’effectue en deux temps :
 1er temps : Mise sous tension et couplage étoile des enroulements. Le moteur démarre à tension
réduite V=U/3, le courant appelé est réduit à Id=Idd/3 et le couple réduit à 1/3 du couple de démarrage
direct Td=Tdd/3.
 2ème temps : Suppression du couplage étoile et mise en couplage triangle. Le moteur est alimenté en
pleine tension U.

b- Caractéristiques électromécaniques :

Remarque : En cas de démarrage automatique, le relais temporisé qui commande la commutation est réglé
de façon à n’agir qu’après le point (A).

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c- Schéma du circuit dans le cas d’un démarrage à un seul sens de rotation :

 1er temps :
Une impulsion sur le bouton "S2" provoque l’excitation de la bobine du contacteur de couplage étoile "KM3"
qui ferme son contact de maintien "1KM3" pour alimenter la bobine du contacteur de ligne "KM1". Cette
dernière, ferme son contact "1KM1" assurant ainsi le maintien de son alimentation et celle de la bobine
"KM3" une fois le bouton "S2" relâché.
 2ème temps :
Au bout de 3 à 5 secondes, les contacts temporisés "2KM1" et "3KM1" actionnés par KM1 entraînent la
désexcitation de la bobine "KM3" et l’excitation de la bobine du contacteur de couplage triangle "KM2".

I- Choix d’un moteur asynchrone triphasé :
Le choix d’un moteur asynchrone triphasé dépend de plusieurs facteurs parmi lesquels en cites :
Le couple, la puissance utile, la vitesse, le mode couplage et le type de démarrage….
Exemple : tableau d’un moteur 4poles 1500tr/mn

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