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L.Q.Technique

FONCTION CONVERTIR : MOTEUR ASYNCHRONE

I.Description : Le moteur asynchrone est constitué de deux parties distinctes : le stator et le rotor. I.1. Stator (partie fixe du moteur) I.1.1. Présentation Il est identique à celui des machines synchrones, c’est à dire constitué de 3 enroulements formés de conducteurs logés dans des encoches. Ces enroulements sont parcourus par des courants triphasés, d’où la création d’un champ magnétique tournant à la fréquence ns = f / p et à la vitesse Ωs = ω / p I.1.2. Couplage sur le réseau Sur la plaque signalétique d’un moteur asynchrone, il apparaît une indication concernant les tensions (ex : 127 V / 230 V). Cela signifie que, quelque soit le réseau, chaque enroulement doit être soumis, au régime nominal, à la tension correspondant à la valeur indiquée la plus faible (ici 127V). En fonction du réseau, il faudra donc réaliser le couplage adapté. Exemple : Indication sur la plaque signalétique : 230V / 400V Chaque enroulement doit donc être soumis à 230 V. I.1.3. Schéma de branchement Les moteurs triphasés possèdent 3 enroulements qui sont reliés à 6 bornes repérées U1, V1, W1 et U2, V2, W2 ; le positionnement de trois barrettes permet d'alimenter le moteur sous deux tensions différentes.

I.2. Rotor (partie mobile du moteur) Le rotor n'est relié à aucune alimentation. Il tourne à la vitesse de rotation n. Il existe 2 possibilités : I.2.1. Rotor à cage d'écureuil Il porte un ensemble de barres conductrices, très souvent en aluminium, logées dans un empilement de tôles. Les extrémités des barres sont réunies par deux couronnes conductrices. Remarque : Le rotor en cage d’écureuil présente une résistance très faible : on dit qu’il est court-circuité. I.2.2. Rotor bobiné

Le rotor comporte des encoches dans lesquelles sont logés des conducteurs formant un enroulement triphasé. Les enroulements sont généralement accessibles par l’intermédiaire de 3 bagues et de 3 balais, permettant ainsi de modifier les caractéristiques de la machine. Remarque : Le rotor présente des résistances non négligeables, d’où l’apparition de pertes par effet Joule dans le rotor Pjr

I.3. Fonctionnement Le stator crée au niveau de l’entrefer un champ magnétique tournant à la vitesse Ωs = ω / p (vitesse de synchronisme) et à la fréquence ns = f/p. Le rotor, soumis à ce champ tournant, génère des courants induits qui, conformément à la loi de Lenz, s’opposent à cette rotation en entraînant la rotation du rotor dans le même sens, à la vitesse Ω (à la fréquence n). Remarque : En charge, cette vitesse Ω est toujours légèrement inférieure à Ωs. II. Glissement g=

ns : vitesse de rotation de synchronisme du

soit : n = ( 1 – g ) ns

champ tournant (tr/s) n : vitesse de rotation du rotor (tr/s) ng : vitesse de glissement (tr/s) ng = ns – n

ns – n Ω s – = Ω ns Ωs

n=0 n=n

g=1 g=0

III. Fréquence des courants induits Le rotor voit un champ statorique tournant à la fréquence de glissement ng = g ns . Soit : fg = g f = fr IV. Bilan des puissances - Puissance absorbée: P = √3U I cos ϕ S = √3U I Q = √3U I sin ϕ - Puissance transmise au rotor : Cette puissance est transmise au rotor par le couple électromagnétique Ptr = P – Pfs - Pjs = Ce Ωs

avec

Ce: moment du couple électromagnétique en Nm. Ωs : vitesse angulaire synchronisme (2.π.n) en rad / s.

- Puissance sur le rotor: Pr = Ptr – Pjr = Ce Ω - Puissance Utile:

P U = CU Ω

Ce: moment du couple électromagnétique en Nm. Ω: vitesse angulaire rotor (2.π.n) en rad/s.

avec

- Pertes Joule Stator: Si r est la résistance d’une phase du stator :

PU = P - ΣPertes. 2

PJs = 3 rI pour le couplage étoile 2 PJs = 3 rj pour le couplage triangle

Si R est la résistance entre phases du stator couplé et I l’intensité en ligne alors : Pjs = (3/2) RI - Pertes Joule Rotor: V. Rendement η=

Pjr = g Ptr PU P

=

Ptr: puissance transmise au rotor g: glissement. CU Ω P – Pjs – Pfs – Pjr - Pm = P √3U I cos ϕ

2

VI. Caractéristiques : VI.1. Fonctionnement à vide A vide le moteur n'entraîne pas de charge. Conséquence : le glissement est nul est le moteur tourne à la vitesse de synchronisme. A vide: g = 0 et donc n = ns et la puissance absorbée P0 = Pmec + Pfs + Pjs0 VI.2. Fonctionnement en charge Le moteur est maintenant chargé, c'est-à-dire que l’arbre de ce dernier entraîne une charge résistante qui s’oppose au mouvement du rotor. En régime permanent, ou régime établi : Cu = Cr VI.3. Caractéristique mécanique CU = f (n) Le point de fonctionnement se trouve sur l’intersection de la caractéristique mécanique du moteur et de la courbe qui caractérise le couple résistant de la charge. La caractéristique mécanique du moteur dans sa partie utile est un segment de droite. Pour la tracer, il suffit de deux points. Le premier est généralement donné par l’étude d’un cas précis, le second se déduit de l’essai à vide. Dans cet essai, le couple utile est nul, il est associé à une fréquence de rotation considérée comme égale à la fréquence de synchronisme.

Cu (Nm) Cr (Nm) Cu1

0

n'1

n

Le point de fonctionnement (Cu1 ; n1) permet de calculer très facilement le glissement et la puissance utile dans ce cas bien précis.

Exercice 1:

n' (tr/s)

VII. RACCORDEMENT DES MOTEURS ASYNCHRONES AU RESEAU TRIPHASE Couplage et modes de démarrages :

1-Introduction : Lors de la mise sous tension d'un moteur asynchrone, celui-ci provoque un fort appel de courant qui peut provoquer des chutes de tension importantes dans une installation électrique. Pour ces raisons en autres, il faut parfois effectuer un démarrage différent du démarrage direct. Il est donc logique de limiter le courant pendant le démarrage à une valeur acceptable. Mais si l'on limite le courant, on limite du fait la tension (dans certain cas seulement). 2-Choix d’un démarreur : Le choix d’un démarreur sera lié : • à la nature de la charge à entraîner • au type de moteur asynchrone • à la puissance de la machine • à la puissance de la ligne électrique • à la gamme de vitesse requise pour l’application. 3-Couplage TRIANGLE et ETOILE. : Le moteur asynchrone triphasé dispose d’une plaque à bornes où sont disponibles les extrémités des enroulements du stator :

On choisit le couplage étoile ou triangle en fonction des caractéristiques du moteur : La plaque signalétique d’un moteur asynchrone précise toujours deux tensions de fonctionnement possibles : Exemple : 230/400 ou 380/660 La plus petite valeur indiquée est la tension nominale d’un enroulement (une phase du moteur) . Par conséquent le moteur asynchrone triphasé est branché : En triangle : lorsque la tension entre phases (tension composée) du réseau d’alimentation est égale à la tension de fonctionnement la plus basse :

Ex : moteur 380/660 Réseau : 220V / 380V (380 V = tension entre phases du réseau) Symbole : Δ ou D.

En étoile : Lorsque la tension entre phases du réseau d’alimentation est égale à la tension de fonctionnement la plus élevée :

Exemple moteur : 230/400 Réseau : 230 / 400 Autre exemple : Moteur dont la plaque signalétique indique : 230/400. Réseau triphasé : 132 / 230 . Le couplage devra être TRIANGLE ( La tension entre phase du réseau = 230 V ce qui correspond à la tension d’un enroulement (230V) du moteur) 4-Procédés de démarrage : a- Démarrage direct : Schéma : PH

Id Cd

MAS

~

3

N

Fonctionnement : Une impulsion sur S2 alimente le relais (KM1) : les contacts KM1 se ferment et le relais est auto-alimenté. Le moteur démarre. L’arrêt est obtenu par une impulsion sur S1. Le démarrage est donc obtenu en un seul temps ; le stator du moteur est couplé directement sur le réseau. Les avantages du démarrage direct : - Simplicité de l’appareillage de commande - Couple de démarrage important (1.5 à 2 fois le couple nominal ) - démarrage rapide (2 à 3 secondes) Les inconvénients du démarrage direct : - La pointe de courant lors de la mise sous tension est très élevée, de l’ordre de 4 à 8 fois le courant nominal - Démarrage brusque : déconseillé si le démarrage doit être doux et progressif (tapis, transporteur, etc …) Utilisation : Démarrage réservé aux moteurs de petites puissances (P < 5kW) en raison de l’appel important de courant lors du démarrage.

b- Démarrage statorique à résistances : Schéma :

0 Ordre de marche 1

KM1 Temporisation

2

KM1

KM2

Ouverture d’arrêt

MAS

~

3

Fonctionnement : Le démarrage s’effectue en 2 temps : Dans le premier temps, on met en série avec chaque phase du stator une résistance (Fermeture de KM11) Dans le second temps, on court-circuite les résistances (Fermeture de KM1) Fonctionnement de la partie commande : 1er temps - Impulsion sur S2 : le relais KM11 est activé et les contacts KM11 (partie puissance) se ferment. Le relais est auto-alimenté. 2nd temps – Le contacteur temporisé KM11 se ferme , entraînant l’alimentation du relais KM1 : Les contacts de puissances KM1 court-circuitent les résistances. L’arrêt est obtenu par une impulsion sur S1. Avantages de ce type de démarrage : Pas de coupure d’alimentation pendant le démarrage. Forte réduction des pointes de courant transitoires. Possibilité de réglage des valeurs au démarrage. Inconvénient : Perte de puissance dans les résistances. Perte de couple important. Le courant de démarrage est encore élevé (4,5 In). c- Démarrage étoile/triangle : Ce mode de démarrage n'est utilisable que si les deux extrémités de chaque enroulement sont accessibles. De plus, il faut que le moteur soit compatible avec un couplage final triangle. Calcule : IdY = V/Z = U/(Z.√3). JdD = U/Z et IdD = √3.JdD = √3.U/Z. On fait le rapport : IdY/IdD = 1/3. De même : CdY = K.V². et CdD = K.U². On fait le rapport : CdY/CdD = 1/3. Conclusion : Le courant et le couple de démarrage sont réduits de trois.

I∆

I

C C∆

IY CY N N Fonctionnement : Le démarrage s’effectue en deux étapes : - Première étape : couplage Etoile (Y) du moteur : Les enroulements sont soumis à une tension U/√3. Le courant de démarrage Id est réduit par rapport au démarrage direct. (Id = 1.3 à 2.6 In) Le couple au démarrage est plus faible qu’en démarrage direct (0.2 à 0.5 Cn) - Deuxième étape : couplage Triangle (Δ) du moteur : Quand le moteur est lancé, on passe au couplage triangle. La surintensité qui en résulte est moins importante qu’en démarrage direct et le moteur atteint sa vitesse nominale à pleine tension. Avantages de ce type de démarrage : - Démarreur relativement peu onéreux - Le courant de démarrage est plus faible qu’en direct et donc moins perturbant pour le réseau. Inconvénient : - Couple de démarrage faible - Coupure de l’alimentation et courants transitoires importants au passage Etoile/triangle Utilisation : Réservé essentiellement aux machines démarrant à vide. Fonctionnement de la partie commande : Une impulsion sur S2 alimente le relais KM1. Les contacts KM1 se ferment et le relais KM2 est activé : il y a auto-alimentation (KM2 : 13-14 est fermé). Les contacts de puissance KM1 et KM2 étant fermés, on a un couplage étoile.

Au bout de t secondes, le contacteur à ouverture temporisée (KM2 : 55-56) s’ouvre, entraînant avec un léger retard la fermeture du contact 67-68 : Le relais KM3 est alors alimenté. Les contacts KM2 et KM3 sont donc fermés : c’est le couplage Triangle. Note : le léger retard à la fermeture du contact 67-68 est nécessaire afin d’éliminer tout risque de court-circuit des phases (KM3 et KM1 ne doivent jamais être fermés en même temps). Arrêt moteur si appuie sur S1. d- Tension réduite par auto-transformateur : Dans un premier temps, on démarre le moteur sur un autotransformateur couplé en étoile. De ce fait, le moteur est alimenté sous une tension réduite réglable. Avant de passer en pleine tension, on ouvre le couplage étoile de l'autotransformateur, ce qui met en place des inductances sur chaque ligne limitant un peu la pointe et presque aussitôt, on court-circuite ces inductances pour coupler le moteur directement au réseau. 0 Ordre de marche KM1

1

KM3

Temporisation 1 KM1

2

Temporisation 2 KM1

3

KM2

Ordre d’arrêt

Id = 1,7 à 4 In Cd = 0,5 à 0,85 Cn Ce mode de démarrage est surtout utilisé pour les fortes puissances (> 100 kW) et conduit à coût de l’installation relativement élevé, surtout pour la conception de l'autotransformateur.

e- Démarrage rotorique : Dans tous les démarreurs précédents, nous n'avons utilisé que des moteurs à cage d'écureuil. Pour ce démarreur, nous avons besoin d'avoir accès au conducteur rotorique. Le fait de rajouter des résistances au rotor provoque une limitation de la pointe de courant au démarrage. En plus, il a l'avantage, si les résistances sont bien choisit, de démarrer avec le couple maximal du moteur. Circuit de puissance Circuit de commande 1 3 5 Q1

2

4 6

1 3 KM1

Q1 F1

5

2 4 6 1 3 5

S2

F2

V1 W 1 M1

K

0 Ordre de marche

96 F2 1 1

2 S1 13 KM1 3 14

L

Rh

1 3 5

2

KM1 KM2 Ordre d’arrêt

68 KM1 67

KM2 M

KM1 Temporisation

4 2 4 6

U1

95

2 4 6 KM1

Remarque : Ce type de démarrage est en

KM2

voie de dispa rition

, le meill eur

choix économique étant le variateur électronique.

Fonctionnement : Le démarrage s’effectue en deux temps : 1er temps : Fermeture des contacts KM1, le moteur démarre avec les résistances en séries avec les enroulements rotoriques. 2eme temps : Fermeture des contacts KM2, résistances court-circuitées. Fonctionnement du circuit de commande : Une impulsion sur S2 excite le contacteur KM1, démarrage en 1er temps. Après t secondes le contact temporisé KM1 : 67-68 se ferme pour exciter le contacteur KM2, démarrage en 2eme temps. Une impulsion sur S1 arrête le moteur. f- Les démarreurs électroniques : Ils permettent un démarrage progressif des moteurs, ils remplacent les démarreurs à technologie électromagnétique cité dans les précédents paragraphes. Les démarreurs sont constitués d’un gradateur triphasée. La tension du réseau d’alimentation est appliquée progressivement au stator du moteur. La variation de la tension statorique est obtenue par la variation continue de l’angle α de retard à l’amorçage des thyristors du gradateur.

g- Tableau récapitulatif :

Démarrage direct Courant de 100% démarrage Surcharge en 4 à 8 In ligne Couple en % 100% de Cd Couple initiale 0.6à 1.5 Cn au démarrage commande T.O.R avantages - démarreur simple et économique -couple au démarrage important

inconvénients

-pointe de courant très importante -démarrage brutal

Démarrage étoile triangle

Démarrage statorique

Démarrage par auto transformateur

Démarrage rotorique Démarreur électronique

33%

50%

40/65/80%

70%

1.3 à 1.6 In

4.5 In

1.7 à 4 In

<2.5 In

33%

50%

40/65/80%

0.2 à 0.5 Cn

0.6 à 0.85 Cn

0.4 à 0.85 Cn

T.O.R -économiques -bon rapport couple/courant

-couple de démarrage faible -coupure d’alimentation au changement de couplage -moteur 6 bornes

1 cran fixe -possibilités de réglages des valeurs au démarrage - Pas de coupure d’alimentation pendant le démarrage -faible réduction de la pointe de courant au démarrage -nécessite des résistances volumineuses

150 à 750%

10 à50% (50 à 100% en 100ms) 0.4 à 0.85 Cn

<2.5 Cn

3 crans fixe -bon rapport couple/courant - possibilités de réglages des valeurs au démarrage

De 1 à 5 crans -très bon rapport couple/courant -possibilité de réglage des valeurs au démarrage

électroniques -Démarrage sans à coup -montée progressive en vitesse -limitation de l’appel de courant au démarrage

-nécessite un auto transformateur onéreux -présente des risques de réseau perturbé

-moteur à bague plus -prix onéreux

Fig1

Fig2

Fig3

3 6

3 3

Fig4

Fig5

3 3

3 4

3 6

3 3