Caractérisation des moteurs à induction à courant alternatif

Les moteurs à induction à courant alternatif sont les bêtes de somme de l’industrie moderne, car ils sont simples, robustes et fiables. Un moteur à induction n’a que deux parties principales. La première est la partie stationnaire appelée stator, qui se compose de bobines stationnaires autour d’une cavité. Le rotor est suspendu dans la cavité, qui est une paire d’anneaux d’extrémité coiffant un arrangement cylindrique de barres. C’est ce qu’on appelle souvent la cage à écureuil. Les paramètres électriques de ces deux composants fournissent des informations sur l’efficacité du moteur et la relation entre le couple et la vitesse. Ceci est essentiel pour déterminer la meilleure taille et le meilleur type de moteur pour une application. Cette vidéo présente les bases du fonctionnement d’un moteur à induction et montre comment déterminer un modèle de circuit équivalent pour un moteur à induction triphasé.

Un moteur à induction triphasé à courant alternatif utilise une alimentation triphasée, chaque phase étant connectée à son propre ensemble séparé de bobines de stator. Les bobines sont disposées selon un motif qui génère un champ magnétique pour chaque phase de la puissance fournie. Le champ magnétique net résultant, appelé champ magnétique du stator, tourne à une vitesse angulaire constante. Le flux magnétique rotatif induit du courant dans le rotor, de la même manière qu’un transformateur transfère l’énergie de la bobine primaire à la bobine secondaire. Le courant à travers les barreaux de la cage de l’écureuil crée à son tour son propre champ magnétique, appelé champ magnétique induit du rotor. L’interaction entre ces deux champs produit une force sur le rotor, ce qui provoque le fait de suivre le champ magnétique du stator. Comme une barre de fer qui suit les aimants qui l’entourent. Si le rotor suit exactement le champ magnétique, comme cette barre, alors le moteur est synchrone. Cependant, dans un moteur à induction, le rotor est en retard par rapport au champ magnétique du stator. Ce décalage, appelé glissement, rend les moteurs à induction asynchrones. Ainsi, le moteur à induction tournera toujours plus lentement que la vitesse synchrone. Le couple augmente avec le glissement décroissant, ou lorsque la vitesse du moteur diminue de synchrone jusqu’à un certain point appelé couple de claquage. Avec l’ajout d’une charge, la vitesse de rotation diminue à mesure que le glissement augmente, ce qui entraîne une diminution du couple. Les expériences suivantes montreront comment mesurer divers paramètres électriques du moteur à induction afin de décrire le moteur à l’aide d’un modèle de circuit équivalent.

Chacun des tests suivants nécessite la connaissance des valeurs nominales du rotor, qui sont imprimées sur la plaque signalétique du moteur. Pour une tension nominale de 208 volts à 60 hertz, notez la puissance nominale en chevaux et en watts. Notez également le courant nominal en ampères et la vitesse nominale en tours par minute et en radians par seconde. Le couple nominal peut être calculé et est égal à la puissance nominale divisée par la vitesse nominale. Ici, l’arbre du moteur à induction entraîne un générateur à courant continu. La charge électrique sur le générateur à courant continu est directement liée à la puissance mécanique qu’il contient. Et à son tour, agit comme la charge mécanique sur le moteur à induction. Tout d’abord, réglez la limite de courant de l’alimentation CC sur 1,8 ampères, puis désactivez-la. Ce test CC mesure uniquement la résistance de l’enroulement du stator, car seules les bornes du stator sont accessibles pour un moteur à induction à cage d’écureuil. Connectez la sortie du bloc d’alimentation aux bornes A et B du stator. Mettez le bloc d’alimentation sous tension et enregistrez sa tension et son courant de sortie. Répétez cette procédure pour les autres combinaisons biphasées B et C, et C et A. Pour chacune des combinaisons de phases, calculez la résistance en divisant la tension de sortie par le courant de sortie. Le résultat est que pour deux phases en série, la résistance par phase, R1, est la moitié de cette valeur. La résistance de l’enroulement du stator dépend de la puissance nominale du moteur et est de six ohms pour ce moteur.

Testez le moteur à induction à vide pour obtenir les mesures nécessaires à d’autres calculs. Tout d’abord, débranchez toutes les bornes du générateur à courant continu, ou dynamomètre, afin qu’il ne génère aucune énergie et ne fournisse aucune charge mécanique au moteur à induction. Avec la source d’alimentation triphasée éteinte, assemblez l’appareil. Réglez le variac sur une sortie de 0 % et connectez-le à la prise triphasée. Allumez l’alimentation triphasée et augmentez rapidement la sortie variac jusqu’à ce que chacun des wattmètres numériques indique environ 208 volts. Enregistrez les mesures de puissance, de tension et de courant des deux compteurs. La somme de la puissance mesurée par les deux wattmètres numériques est la puissance consommée par les trois phases agissant ensemble. 1/3 de cela est la puissance en une phase. Enregistrez le couple du moteur et désignez-le t-zéro, le couple à vide. Si l’appareil de mesure du couple n’est pas bien étalonné, t-zéro n’est pas nécessairement égal à zéro. Ensuite, utilisez une lumière stroboscopique pour mesurer la vitesse de rotation du moteur à vide, qui est proche de sa vitesse synchrone de 1 800 tr/min. Ajustez la trajectoire et trouvez les boutons de fréquence jusqu’à ce que l’arbre semble stationnaire. La vitesse du moteur se situe généralement entre la vitesse nominale indiquée sur la plaque signalétique et la vitesse synchrone. Convertissez la fréquence de la lumière stroboscopique de RPM en vitesse de rotation angulaire à vide, omega zéro. Remettez le variac à 0 % de sortie, puis coupez l’alimentation triphasée. Laissez le reste de l’appareil intact.

Le test du rotor verrouillé mesure les paramètres électriques lorsque le moteur est fixe et incapable de tourner. Dans cet état, la plus grande différence de mouvement entre le rotor et le champ du stator se produit. Pour ce test, utilisez la configuration du test à vide et débranchez toutes les bornes du générateur à courant continu ou du dynamomètre. Avec l’alimentation triphasée coupée et le variac à 0 % de sortie, verrouillez le rotor du côté du moteur à courant continu avec la pince mécanique. À l’exception du rotor verrouillé, l’appareillage est le même que pour l’essai à vide. Allumez l’alimentation triphasée et le moteur à induction. Augmentez lentement la sortie variac jusqu’au courant nominal sur les wattmètres numériques. Enregistrez la puissance, la tension et le courant des deux compteurs. Pour finir, remettez le variac à 0 %, puis coupez l’alimentation triphasée.

En effet, l’enroulement du stator remplit la même fonction que la bobine primaire d’un transformateur, et le rotor est équivalent à l’enroulement secondaire. Le moteur peut donc être modélisé à l’aide d’un circuit équivalent similaire à celui d’un transformateur. Cependant, le circuit est simplifié pour supprimer la partie idéale du transformateur et fait référence aux composants du rotor comme un reflet du stator. Le circuit équivalent par phase comprend la résistance d’enroulement du stator, R1, calculée à partir du test CC. Le stator présente également une opposition aux changements de courant et de tension appelée réactance X1. Les paramètres du rotor sont réfléchis par le stator, y compris la résistance réfléchie, R2 prime, et la réactance réfléchie du rotor, X2 prime. La réactance magnétisante mutuelle, paramètre XM est un équivalent du flux magnétique dans l’entrefer entre le rotor et le stator. Enfin, une perte de puissance se produit entre le stator et le rotor, et est modélisée comme la résistance équivalente de perte du noyau, RC. Toutes ces valeurs peuvent être calculées à partir des tests démontrés et sont détaillées dans le protocole des tests.

Les moteurs à induction à courant alternatif sont largement utilisés dans une variété d’applications, en raison de leur simplicité, de leur robustesse et de leur fiabilité. Un moteur à induction est souvent sélectionné en fonction de sa vitesse de couple linéaire sous une charge mécanique changeante. L’essai de charge suit la caractéristique de vitesse de couple linéaire lorsque la charge mécanique change. Pour ce test, un générateur à courant continu, ou dynamomètre, est connecté au moteur à induction afin qu’il fournisse une charge contrôlée sur le rotor. L’appareil est assemblé avec une résistance de charge, R-L, de 300, 200 ou 100 ohms. Les mesures de puissance, de tension et de courant sont enregistrées à partir des compteurs connectés. Ensuite, la lecture du couple et la vitesse de rotation sont mesurées avec et sans la résistance à la charge. Un graphique des caractéristiques de vitesse de couple du moteur à induction sera comme ces courbes pour les quatre classes de moteurs NEMA. Un microscope électronique nécessite une chambre sous vide pour contenir l’échantillon et utilise une pompe à vide qui peut avoir un petit moteur à induction. Le vide dans la chambre permet la transmission des électrons à l’échantillon, et de l’échantillon à l’appareil d’imagerie. Enfin, les tours et autres équipements d’atelier d’usinage peuvent utiliser des moteurs à induction triphasés plus puissants. En raison de leur simplicité et de l’absence de commutation mécanique, les moteurs à induction peuvent résister à une utilisation intensive avec une probabilité de défaillance réduite. Cette robustesse est un avantage évident lors de la fabrication de pièces métalliques.

Vous venez de regarder l’introduction de Jupiter aux moteurs à induction à courant alternatif. Vous devez maintenant comprendre le principe de base du fonctionnement et comment effectuer les tests pour déterminer leurs paramètres de circuit équivalents.