LE MOTEUR ASYNCHRONE

1. PRESENTATION


Un champ magnétique tournant produit la rotation d'un disque métallique tournant à une
fréquence de rotation inférieure à celle du champ : sa rotation est asynchrone.


.a Le stator

Il est constitué de trois enroulements alimentés par des tensions triphasées de fréquence, f,

qui produisent ainsi un champ magnétique tournant B à la fréquence de rotation, ns, appelée
fréquence de synchronisme :


ns La fréquence de rotation du champ B en tours par seconde [tr.s-1]
f
ns    f La fréquence des tensions d’alimentation en Hertz [Hz]
p
p Le nombre de paires de pôles du rotor


Une autre relation se déduit de la précédente :

f 
 s = 2n s = 2  s  La vitesse angulaire du champ B , en radians par seconde [rad.s-1]
p


.b Le rotor

La fréquence de rotation du rotor est appelée n, il tourne moins vite que le champ tournant du
stator, l'enroulement rotorique n'est relié à aucune source extérieure. Les seuls courants qui
le traversent sont les courants de Foucault induits par la rotation du champ statorique.


 Rotor à cage d'écureuil :
Il est constitué de barres métalliques identiques dont les extrémités sont réunies entre elles
par des couronnes métalliques peu résistives. L'ensemble présente une résistance électrique
très faible, on dit que le rotor est en court-circuit.


 Rotor bobiné :
Les tôles de ce rotor sont munies d'encoches où sont placés des conducteurs formant un
bobinage le plus souvent triphasé, trois bagues et trois balais sont prévus pour accéder à ces
enroulements, permettant de modifier certaines des caractéristiques électriques du circuit
rotorique.




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 .c Association entre le rotor et le stator
Si la fréquence des tensions d’alimentation est égale à 50 Hz, la relation entre n’s en tours par
minute, et p le nombre de paires de pôles peut s’écrire :


3000 
n’s = n’s La fréquence de rotation du champ B en tours par minute [tr.min-1]
p

Sachant que, n, la fréquence du rotor, donc du moteur, est très légèrement inférieure à celle
du champ tournant, ns, la relation ci-dessus permet de donner très rapidement le nombre de
paires de pôles ainsi que la fréquence de synchronisme lorsque la fréquence de rotation du
moteur est connue, en complétant le tableau suivant.

La fréquence de rotation du moteur est de 980 tr.min-1, la fréquence du réseau est de 50 Hz,
ainsi :

p 1 2 3 4...
ns [tr.min-1] 3000 1500 1000 750

Dans l’exemple proposé, la fréquence de synchronisme est de 1000 tr.min-1 et le nombre de
pôles est de 6.

Un tableau du même genre peut être adapté avec une quelconque fréquence du réseau.
.d Le Symbole
i (t)

1
u (t) MAS
2 3
3
Tu -  
.e Le glissement
Le rotor tourne à la fréquence de rotation n, il tourne moins vite que le champ tournant qui lui
tourne à la fréquence de rotation ns. La différence n entre ces deux fréquences de rotation
est donnée par la relation :

n La fréquence de rotation du glissement en tours par seconde [tr.s-1]

n = ns - n ns La fréquence de rotation du champ B en tours par seconde [tr.s-1]
n La fréquence de rotation du rotor en tours par seconde [tr.s-1]

On appelle glissement d'un moteur asynchrone le rapport de la fréquence de glissement à la
fréquence de synchronisme :

g Le glissement du moteur asynchrone en pourcentage [sans unités]
n n 
g = s ns La fréquence de rotation du champ B en tours par seconde [tr.s-1]
ns
n La fréquence de rotation du rotor en tours par seconde [tr.s-1]
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2. LA PLAQUE SIGNALETIQUE – LE COUPLAGE
Sur la plaque signalétique d’un moteur asynchrone, deux tensions sont indiquées, par exemple
230 V et 4OO V.

Seule la plus petite des deux tensions est à prendre en considération pour le couplage, elle
doit être appliquée aux bornes d’un enroulement.

Pour vérifier que cette tension est bien appliquée sur un enroulement, le réseau doit être
connu et représenté ainsi que les couplages possibles. Un seul sera retenu.

C’est donc à partir des deux informations suivantes que le couplage peut être déterminé :
 La plus petite des deux tensions, elle figure sur la plaque signalétique du moteur.
 La nature du réseau, valeur de la tension simple, et celle de la tension composée.

Pour le réseau :
 Si deux tensions sont mentionnées, il s’agit des valeurs efficaces V de la tension simple
v (t) et U de la tension composée u (t).
 Si une seule tension est indiquée il s’agit de la valeur efficace U de la tension composée
u (t).

La valeur efficace V de la tension simple v (t) est mesurée entre une phase et le neutre, la
valeur efficace U de la tension composée u (t) est évaluée entre deux phases.

La relation entre les valeurs efficaces de ces deux tensions est :
U La valeur efficace de la tension composée u (t) en volts [V]
 U  V 3 V La valeur efficace de la tension simple v (t) en volts [V]

.a Le couplage en étoile

i (t)
3
u (t)
2


v (t)
v (t)


1

N 1 2 3
Réseau Ligne Charge
Couplage en étoile Câblage du stator

Dans un couplage en étoile, chaque enroulement est soumis à la tension simple v (t), tension
entre phase et neutre. Chaque enroulement est traversé par le courant de ligne i (t).




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 .b Le couplage en triangle

i (t)
3
j (t)
u (t)
u (t)


2

v (t)
1
N
Réseau Ligne Charge 1 2 3


Couplage en triangle Câblage du stator

Dans un couplage en triangle, chaque enroulement est soumis à la tension composée, u (t),
tension entre deux phases. Chaque enroulement est traversé par le courant j(t) de valeur
efficace J, ce courant n’a de raison d’être que pour ce type de couplage.

La relation entre les valeurs efficaces de ces deux courants est :

I La valeur efficace du courant de ligne i (t) en ampères [A]
 I  J 3 J La valeur efficace du courant j (t) dans un enroulement dans le cas
D’un couplage en triangle, en ampères [A]

3. LA MESURE DE LA PUISSANCE ABSORBEE
Cette méthode reste identique que le couplage soit en étoile ou en triangle, il utilise deux
wattmètres numériques qui doivent être branchés comme suit :


3 W1
i (t)
u (t)

2 W1




v (t)
1

N


Réseau Ligne Moteur

Pour cette mesure le fil de neutre n’est jamais utilisé.

 Le premier wattmètre W1 indique une grandeur P1

 Le second wattmètre W2 indique une grandeur P2
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 .a La puissance active
La puissance active P absorbée par le moteur se calcule à partir des informations des
wattmètres, en utilisant la relation suivante :

P La puissance active absorbée en watts [W]
P = P1 + P2 P1 La lecture du premier wattmètre [sans unités]
P2 La lecture du second wattmètre [sans unités]

P1 et P2 sont les lectures des deux wattmètres, elles sont soit positives soit négatives.
Sachant que la puissance absorbée P est une puissance active, elle est nécessairement
positive. Il est donc indispensable de donner à P1 la valeur positive correspondant à la plus
grande des deux indications en valeurs absolues. La valeur prise par P2 sera l’indication de
l’autre wattmètre, affublé du signe « plus » si les deux grandeurs étaient de même signe et
du signe « moins » dans le cas contraire.

.b La puissance réactive
La puissance réactive Q absorbée par le moteur se calcule à partir des informations des
wattmètres, en utilisant la relation suivante :

Q La puissance réactive absorbée en V.A.R [vars]
 Q = 3 (P1  P2 ) P1 La lecture du premier wattmètre [sans unités]
P2 La lecture du second wattmètre [sans unités]
V.A.R : Volts ampères réactifs


.c La puissance apparente
La puissance apparente du moteur peut se déduire des deux calculs précédents par la
relation :

S La puissance apparente du moteur en V.A [VA]
S= P2  Q 2  P La puissance active absorbée en watts [W]
Q La puissance réactive absorbée en V.A.R [vars]
V.A.R : Volts ampères réactifs


.d Le facteur de puissance
Le facteur de puissance peut se déduire des deux calculs précédents par la relation :


 L’angle de déphasage entre courant et tension en degrés [°]
P P La puissance active absorbée en watts [W]
Cos  =
P2  Q 2 Q La puissance réactive absorbée en V.A.R [vars]
V.A.R : Volts ampères réactifs




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4. LE BILAN DES PUISSANCES
Le bilan des puissances décline toutes les puissances, depuis la puissance absorbée d’origine
électrique jusqu’à la puissance utile de nature mécanique.
Le bilan, peut être résumé à l’aide schéma suivant :

Stator Rotor

Puissance Puissance
Puissance Utile
Transmise
Électromagnétique Pu
Au rotor
Puissance Pem
Ptr
Absorbée
P




Pertes mécaniques Pméca
Pertes
Pertes par
par effet
effet Joule
Joule au
au rotor
rotor P
Pjr
jr

Pertes magnétiques dans le stator Pfs
Pertes par effet Joule au stator Pjs



Bilan des puissances d’un moteur asynchrone
Toutes les puissances mises en jeu dans ce bilan peuvent être calculées à partir des relations
qui suivent.


STATOR

P La puissance électrique absorbée en watts [W]
P = UI 3 cos U La tension entre deux phases en volts [V]
I L’intensité du courant de ligne en ampères [A]
 L’angle de déphasage entre courant et tension en degrés [°]

1er cas La résistance R est donnée entre deux bornes de phases

Pjs Les pertes par effet Joule dans le stator en watts [W]
3 2
Pjs = RI   R La résistance entre deux bornes de phases en ohms []
2
I² L’intensité du courant de ligne en ampères² [A²]

2ème cas La résistance R’ est celle d’un enroulement

Couplage étoile

Pjs Les pertes par effet Joule dans le stator en watts [W]
2
Pjs = 3R'I R’ La résistance d’un enroulement en ohms []
I² L’intensité du courant de ligne en ampères² [A²]
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 Couplage triangle

Pjs Les pertes par effet Joule dans le stator en watts [W]
2
Pjs = 3R'J R’ La résistance d’un enroulement en ohms []
J² L’intensité du courant dans un enroulement en ampères² [A²]

Pfs Les pertes dans le fer du stator en watts [W]
Pfs = Pmagnétiques Les pertes magnétiques, dans les tôles de l’armature du stator sont
pratiquement indépendantes de la charge, elles sont liées à la valeur
efficace U et à la fréquence f de la tension composée u (t). Pour un
réseau donnée, ces pertes sont considérées comme constantes, elles
sont données, ou calculées par un essai à vide.

STATOR Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]
P La puissance électrique absorbée en watts [W]
Ptr = P – Pjs – Pfs Pjs Les pertes par effet Joule dans le stator en watts [W]
Pfs Les pertes dans le fer du stator en watts [W]

Ptr = T.s Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]
    T Le moment du couple transmis au rotor en Newton-mètres [Nm]

    s La vitesse angulaire du champ B en radians par seconde [rad.s-1]
ROTOR
Pjr Les pertes par effet Joule dans le rotor en watts [W]
Pjr = g.Ptr g Le glissement du moteur asynchrone [sans unités]
Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]



 Pfr Les pertes dans le fer du rotor en watts [W]
Pfr = 0 W Le rotor est également le siège d’un autre type de pertes. Les pertes
fer ou magnétiques. Cependant ces pertes seront toujours négligées
devant les autres, la fréquence des courants étant très faible


Pem La puissance électromagnétique en watts [W]
Pem = Ptr - Pjr Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]
Pjr Les pertes par effet Joule dans le rotor en watts [W]

 Pem La puissance électromagnétique en watts [W]
Pem = T. T Le moment du couple transmis au rotor en Newton-mètres [Nm]
 La vitesse angulaire du rotor en radians par seconde [rad.s-1]

Pméca Les pertes mécaniques dans le rotor en watts [W]
Ces pertes sont considérées comme constantes, elles sont données, ou
Pméca calculées par un essai à vide. Très souvent elles sont égales aux
pertes dans le fer du stator, la somme de ces deux types de pertes
sera communément appelée les pertes constantes.
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 Pu La puissance mécanique utile sur l’arbre du rotor en watts [W]
Pu = Tu. Tu Le moment du couple utile disponible en Newton-mètres [Nm]
 La vitesse angulaire du rotor en radians par seconde [rad.s-1]


Le bilan met en évidence le fait que la puissance absorbée est obligatoirement la puissance la
plus importante, elle ne cesse de diminuer en progressant vers la puissance utile qui est
évidemment la plus faible, ainsi :
Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]
P La puissance électrique absorbée en watts [W]
Ptr = P – Pjs – Pfs Pjs Les pertes par effet Joule dans le stator en watts [W]
Pfs Les pertes dans le fer du stator en watts [W]


Pem La puissance électromagnétique en watts [W]
Pem = Ptr - Pjr Ptr La puissance transmise au rotor en watts [W]
Pjr Les pertes par effet Joule dans le rotor en watts [W]

Pu La puissance utile en watts [W]
Pu = Pem – Pméca  Pem La puissance électromagnétique en watts [W]
Pméca Les pertes mécaniques dans le rotor en watts [W]


Pu La puissance utile en watts [W]
P La puissance absorbée en watts [W]
Pu = P – Pjs – Pfs - Pjr – Pméca  Pjs Les pertes par effet Joule dans le stator en watts [W]
Pfs Les pertes dans le fer du stator en watts [W]
Pjr Les pertes par effet Joule dans le rotor en watts [W]
Pméca Les pertes mécaniques dans le rotor en watts [W]
   
 Les pertes magnétiques dues à l'hystérésis et aux courants de Foucault se produisent
uniquement dans les tôles du stator.

 Les pertes mécaniques dues aux frottements se situent au niveau des paliers du rotor.

Le rendement est le rapport entre la puissance mécanique utile et la puissan