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Le moteur asynchrone triphasé ou moteur à induction est un moteur électrique à courant alternatif dans lequel la vitesse angulaire du rotor est inférieure à la vitesse de rotation du champ magnétique généré par les enroulements du stator.
Dès 1885, l’Italien Galileo Ferraris avait démontré que deux bobines fixes, orthogonales et parcourues par des courants alternatifs de même fréquence et déphasés de 90°, génèrent un champ magnétique tournant, allant jusqu’à publier les résultats de ses expériences en 1888.
Mais c’est à l’automne 1887 que le physicien serbe Nikola Tesla, ayant intensifié ses travaux d’ingénierie sur le moteur à induction, dépose un brevet.
Les moteurs asynchrones triphasés peuvent être considérés comme l’une des machines électriques les plus fiables, car ils remplissent leur fonction pendant de nombreuses années avec très peu d’entretien.
JAES peut fournir de nombreux types de moteurs asynchrones dans son catalogue.
Aujourd’hui, environ 90% des moteurs industriels sont des moteurs asynchrones.
Mais regardons de plus près le fonctionnement interne de ces moteurs.
Le moteur à induction se compose de deux parties principales : le stator et le rotor :
Le stator est essentiellement un enroulement à trois bobines alimenté par un courant alternatif triphasé.
Chaque enroulement passe dans les encoches du stator, qui sont réalisées en empilant de fines feuilles d’acier à haute perméabilité magnétique à l’intérieur d’un cadre en acier ou en fonte.
Le passage du courant triphasé dans ces enroulements provoque la formation de ce que Galileo Ferraris avait déjà découvert en 1885. C’est-à-dire un champ magnétique tournant.
C’est précisément ce champ magnétique tournant (RMF -Rotating Magnetic Field) qui fait tourner le rotor.
Pour comprendre comment le champ magnétique tournant est généré et quelles sont ses propriétés, prenons comme exemple une version simplifiée d’un enroulement de stator.
Ce bobinage est constitué de trois bobines, disposées à 120 degrés les unes par rapport aux autres.
Un câble le long duquel circule un courant électrique génère un champ magnétique autour de lui.
Lorsque le courant triphasé est appliqué à cette disposition spéciale de bobines, le champ magnétique est généré à un instant précis, comme indiqué.
Lorsque le courant alternatif change, le champ magnétique prend des orientations et un module différents.
Si l’on compare ces trois instances, on constate que c’est comme si elles représentaient la séquence de rotation d’un champ magnétique d’intensité uniforme.
La vitesse de rotation du champ magnétique est appelée "vitesse synchrone".
Supposons maintenant qu’un conducteur fermé soit placé à l’intérieur du champ magnétique tournant ;
Selon la loi de Faraday, puisqu’il existe un champ électromagnétique variable dans un circuit fermé, un courant induit sera créé dans le conducteur. On peut donc dire que le champ magnétique tournant va induire un courant dans la boucle.
Ainsi, la situation que nous obtenons est une boucle soumise à un courant induit, située dans le champ magnétique.
Comme nous avons pu l’observer dans notre expérience sur la démonstration de la force de Lorentz, le fil d’étain traversé par le courant électrique et plongé dans un champ magnétique, subit une force perpendiculaire au mouvement des charges, qui le fait tourner.
Là encore, une force électromagnétique sera produite sur l’anneau, et le rotor qui lui est relié commencera donc à tourner.
Le même phénomène se produit à l’intérieur d’un moteur à induction.
Ici, au lieu d’une simple boucle, on utilise un rotor à cage d’écureuil.
Ici aussi, le courant alternatif triphasé qui traverse le stator produit un champ magnétique tournant.
Comme dans le cas précédent, le courant est induit dans les tiges de la cage d’écureuil qui, étant court-circuitées par les boucles d’extrémité, permettent la rotation du rotor.
Dès 1885, l’Italien Galileo Ferraris avait démontré que deux bobines fixes, orthogonales et parcourues par des courants alternatifs de même fréquence et déphasés de 90°, génèrent un champ magnétique tournant, allant jusqu’à publier les résultats de ses expériences en 1888.
Mais c’est à l’automne 1887 que le physicien serbe Nikola Tesla, ayant intensifié ses travaux d’ingénierie sur le moteur à induction, dépose un brevet.
Les moteurs asynchrones triphasés peuvent être considérés comme l’une des machines électriques les plus fiables, car ils remplissent leur fonction pendant de nombreuses années avec très peu d’entretien.
JAES peut fournir de nombreux types de moteurs asynchrones dans son catalogue.
Aujourd’hui, environ 90% des moteurs industriels sont des moteurs asynchrones.
Mais regardons de plus près le fonctionnement interne de ces moteurs.
Le moteur à induction se compose de deux parties principales : le stator et le rotor :
Le stator est essentiellement un enroulement à trois bobines alimenté par un courant alternatif triphasé.
Chaque enroulement passe dans les encoches du stator, qui sont réalisées en empilant de fines feuilles d’acier à haute perméabilité magnétique à l’intérieur d’un cadre en acier ou en fonte.
Le passage du courant triphasé dans ces enroulements provoque la formation de ce que Galileo Ferraris avait déjà découvert en 1885. C’est-à-dire un champ magnétique tournant.
C’est précisément ce champ magnétique tournant (RMF -Rotating Magnetic Field) qui fait tourner le rotor.
Pour comprendre comment le champ magnétique tournant est généré et quelles sont ses propriétés, prenons comme exemple une version simplifiée d’un enroulement de stator.
Ce bobinage est constitué de trois bobines, disposées à 120 degrés les unes par rapport aux autres.
Un câble le long duquel circule un courant électrique génère un champ magnétique autour de lui.
Lorsque le courant triphasé est appliqué à cette disposition spéciale de bobines, le champ magnétique est généré à un instant précis, comme indiqué.
Lorsque le courant alternatif change, le champ magnétique prend des orientations et un module différents.
Si l’on compare ces trois instances, on constate que c’est comme si elles représentaient la séquence de rotation d’un champ magnétique d’intensité uniforme.
La vitesse de rotation du champ magnétique est appelée "vitesse synchrone".
Supposons maintenant qu’un conducteur fermé soit placé à l’intérieur du champ magnétique tournant ;
Selon la loi de Faraday, puisqu’il existe un champ électromagnétique variable dans un circuit fermé, un courant induit sera créé dans le conducteur. On peut donc dire que le champ magnétique tournant va induire un courant dans la boucle.
Ainsi, la situation que nous obtenons est une boucle soumise à un courant induit, située dans le champ magnétique.
Comme nous avons pu l’observer dans notre expérience sur la démonstration de la force de Lorentz, le fil d’étain traversé par le courant électrique et plongé dans un champ magnétique, subit une force perpendiculaire au mouvement des charges, qui le fait tourner.
Là encore, une force électromagnétique sera produite sur l’anneau, et le rotor qui lui est relié commencera donc à tourner.
Le même phénomène se produit à l’intérieur d’un moteur à induction.
Ici, au lieu d’une simple boucle, on utilise un rotor à cage d’écureuil.
Ici aussi, le courant alternatif triphasé qui traverse le stator produit un champ magnétique tournant.
Comme dans le cas précédent, le courant est induit dans les tiges de la cage d’écureuil qui, étant court-circuitées par les boucles d’extrémité, permettent la rotation du rotor.
C’est pourquoi ce moteur est appelé moteur à induction.
L’électricité est induite sur le rotor par induction électromagnétique, et NON par connexion électrique directe.
Pour favoriser cette induction électromagnétique, des couches de feuilles de fer sont enfermées dans le rotor.
Ces fines feuilles de matériau ferromagnétique favorisent l’induction magnétique en limitant au maximum les courants de Foucault.
On voit que le moteur à induction présente un grand avantage : il est par nature auto-démarreur, c’est-à-dire qu’il développe spontanément et automatiquement, en faisant varier sa vitesse, un couple moteur pour contrebalancer le couple résistant appliqué à l’arbre moteur, d’où un fonctionnement stable.
Dans cette animation, nous voyons que le champ magnétique et le rotor tournent, mais à quelle vitesse le rotor tourne-t-il?
Pour obtenir la réponse à cette question, nous devons considérer plusieurs cas :
Considérons le cas où la vitesse du rotor est égale à celle du champ magnétique.
Comme le champ magnétique et les bobines tournent à la même vitesse, le champ magnétique n’est jamais disséqué par les bobines et la force de Lorentz est donc nulle.
Il en résulte un couple nul sur la barre du rotor et le rotor va progressivement ralentir.
En ralentissant, le champ magnétique sera disséqué par les bobines, et donc le courant induit et la force augmenteront à nouveau.
Le rotor va donc augmenter sa vitesse.
En bref, le rotor ne sera jamais en mesure d’atteindre la vitesse du champ magnétique.
Il tourne à une vitesse spécifique légèrement inférieure à la vitesse synchrone.
La différence entre la vitesse synchrone et la vitesse du rotor est connue sous le nom de : Vitesse de glissement.
Nous comprenons maintenant pourquoi les moteurs à induction sont si populaires dans les applications industrielles et domestiques.
Vous pouvez également constater que les moteurs à induction ne disposent pas d’un aimant permanent.
Elles n’ont pas non plus de balais, de boucles de commutation ou de capteurs de position, comme d’autres types de machines électriques.
Les moteurs à induction sont absolument autonomes.
Leur plus grand avantage est que leur vitesse peut être facilement ajustée en contrôlant la fréquence de l’alimentation électrique.
Pour expliquer cela, considérons à nouveau la version simplifiée d’un enroulement de stator.
Nous avons déjà appris que le champ magnétique tournant est généré par la tension d’entrée triphasée.
Il est donc clair que la vitesse du champ magnétique tournant est proportionnelle à la fréquence de l’alimentation électrique.
Comme le rotor essaie toujours de s’aligner avec le champ magnétique, la vitesse du rotor est également proportionnelle à la fréquence de la tension alternative.
Par conséquent, en utilisant un convertisseur de fréquence, la vitesse du moteur à induction peut être contrôlée très facilement.
Ces propriétés du moteur à induction permettent de l’utiliser dans une grande variété d’industries, telles que l’industrie alimentaire, chimique, métallurgique, de traitement de l’eau ou minière.
En effet, il peut être utilisé dans les systèmes de levage tels que les ascenseurs ou les palans, dans les systèmes de transport tels que les bandes transporteuses, et même dans les voitures électriques.
En raison de la large bande de fréquence de fonctionnement des moteurs à induction, les voitures électriques peuvent fonctionner avec une transmission à une seule vitesse.
Une autre propriété intéressante du moteur à induction est qu’il fonctionne comme un générateur lorsque son rotor est mis en rotation de manière passive.
Dans ce cas, cependant, il est nécessaire de s’assurer que la vitesse du champ magnétique tournant est toujours inférieure à la vitesse du rotor.
L’électricité est induite sur le rotor par induction électromagnétique, et NON par connexion électrique directe.
Pour favoriser cette induction électromagnétique, des couches de feuilles de fer sont enfermées dans le rotor.
Ces fines feuilles de matériau ferromagnétique favorisent l’induction magnétique en limitant au maximum les courants de Foucault.
On voit que le moteur à induction présente un grand avantage : il est par nature auto-démarreur, c’est-à-dire qu’il développe spontanément et automatiquement, en faisant varier sa vitesse, un couple moteur pour contrebalancer le couple résistant appliqué à l’arbre moteur, d’où un fonctionnement stable.
Dans cette animation, nous voyons que le champ magnétique et le rotor tournent, mais à quelle vitesse le rotor tourne-t-il?
Pour obtenir la réponse à cette question, nous devons considérer plusieurs cas :
Considérons le cas où la vitesse du rotor est égale à celle du champ magnétique.
Comme le champ magnétique et les bobines tournent à la même vitesse, le champ magnétique n’est jamais disséqué par les bobines et la force de Lorentz est donc nulle.
Il en résulte un couple nul sur la barre du rotor et le rotor va progressivement ralentir.
En ralentissant, le champ magnétique sera disséqué par les bobines, et donc le courant induit et la force augmenteront à nouveau.
Le rotor va donc augmenter sa vitesse.
En bref, le rotor ne sera jamais en mesure d’atteindre la vitesse du champ magnétique.
Il tourne à une vitesse spécifique légèrement inférieure à la vitesse synchrone.
La différence entre la vitesse synchrone et la vitesse du rotor est connue sous le nom de : Vitesse de glissement.
Nous comprenons maintenant pourquoi les moteurs à induction sont si populaires dans les applications industrielles et domestiques.
Vous pouvez également constater que les moteurs à induction ne disposent pas d’un aimant permanent.
Elles n’ont pas non plus de balais, de boucles de commutation ou de capteurs de position, comme d’autres types de machines électriques.
Les moteurs à induction sont absolument autonomes.
Leur plus grand avantage est que leur vitesse peut être facilement ajustée en contrôlant la fréquence de l’alimentation électrique.
Pour expliquer cela, considérons à nouveau la version simplifiée d’un enroulement de stator.
Nous avons déjà appris que le champ magnétique tournant est généré par la tension d’entrée triphasée.
Il est donc clair que la vitesse du champ magnétique tournant est proportionnelle à la fréquence de l’alimentation électrique.
Comme le rotor essaie toujours de s’aligner avec le champ magnétique, la vitesse du rotor est également proportionnelle à la fréquence de la tension alternative.
Par conséquent, en utilisant un convertisseur de fréquence, la vitesse du moteur à induction peut être contrôlée très facilement.
Ces propriétés du moteur à induction permettent de l’utiliser dans une grande variété d’industries, telles que l’industrie alimentaire, chimique, métallurgique, de traitement de l’eau ou minière.
En effet, il peut être utilisé dans les systèmes de levage tels que les ascenseurs ou les palans, dans les systèmes de transport tels que les bandes transporteuses, et même dans les voitures électriques.
En raison de la large bande de fréquence de fonctionnement des moteurs à induction, les voitures électriques peuvent fonctionner avec une transmission à une seule vitesse.
Une autre propriété intéressante du moteur à induction est qu’il fonctionne comme un générateur lorsque son rotor est mis en rotation de manière passive.
Dans ce cas, cependant, il est nécessaire de s’assurer que la vitesse du champ magnétique tournant est toujours inférieure à la vitesse du rotor.