Le moteur asynchrone triphasé Programme TGC-TGE B.3.3.4. Moteur asynchrone. Principe de fonctionnement ; vitesse de synchronisme ; glissement ; bilan simplifié des puissances. Caractéristique mécanique. Connaissances antérieures utiles − En sciences physiques : • lois de l’électromagnétisme étudiées en classe de première « génie civil ». − En mathématiques : • calculs littéraux élémentaires portant sur l’exploitation d’une formule donnée. Connaissances scientifiques − Citer le principe de production d’un champ tournant. − Savoir la relation : f = pn. − Citer le principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone (MAS). − Définir le glissement au moyen d’une formule. − Représenter l’allure de la caractéristique mécanique du MAS. Savoir-faire expérimentaux − Dessiner le schéma du montage de mesure, etc. (voir ci-dessus B.1.). − Câbler un circuit électrique, etc. (voir ci-dessus B.1.). − Donner le résultat d’une mesure avec un nombre raisonnable de chiffres significatifs. − Réaliser le câblage d’un MAS triphasé, le schéma du montage étant donné. − Mesurer un glissement. − Mesurer une tension, l’intensité du courant, une puissance. − Exploiter les résultats de mesures (de puissance, de tension et de courant) : cas de la détermination de la puissance consommée par un MAS et de son facteur de puissance, à vide et en charge. Savoir-faire théoriques − Calculer la vitesse de synchronisme. − Déterminer le point de fonctionnement d’un MAS entraînant une charge dont on connaît la caractéristique mécanique. − Effectuer un bilan des puissances d’un MAS (toutes les pertes étant données). Programme TGM B.3.2.4. Moteur asynchrone. Principe du fonctionnement; vitesse de synchronisme; glissement; bilan des puissances. Caractéristique mécanique. Réglage de la vitesse par association avec un onduleur autonome. Connaissances antérieures utiles - En sciences physiques: lois de l'électromagnétisme du programme de la classe de Première « Génie mécanique ». - En mathématiques: calculs littéraux élémentaires portant sur L'exploitation d'une formule donnée. Connaissances scientifiques - Citer le principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone (MAS). - Définir le glissement au moyen d'une formule. - Représenter l'allure de la caractéristique mécanique du MAS. - Citer l'onduleur autonome comme moyen de réglage de la vitesse d'un MAS et préciser l'intérêt de ce type de commande. Savoir-faire expérimentaux - Dessiner le schéma du montage de mesure... etc. (voir ci-dessus B.l .). - Câbler un circuit électrique... etc. (voir ci-dessus B.1 .). - Donner le résultat d'une mesure avec un nombre raisonnable de chiffres significatifs. - Réaliser le câblage d'un MAS triphasé, le schéma du montage étant donné. - Mesurer un glissement. - Mesurer une tension, l'intensité d'un courant, une puissance. - Exploiter des résultats de mesures (de puissance, de tension et de courant): cas de la détermination de la puissance consommée par un MAS et de son facteur de puissance, à vide et en charge. Savoir-faire théoriques - Calculer une vitesse de synchronisme. - Déterminer le point d e fonctionnement d'un MAS entraînant une charge dont on connaît la caractéristique mécanique. - Effectuer le bilan des puissances d'un MAS (toutes les pertes étant données). Commentaires Le moteur asynchrone est présenté comme le plus répandu, le plus robuste et le moins onéreux des moteurs électriques (la visite de la salle des machines d'un lycée montre que la plupart des machines-outils sont équipées de moteurs asynchrones triphasés de 1,5 kW). D'une manière générale, l'étude porte sur le moteur asynchrone triphasé (même si la commande de vitesse d'un moteur asynchrone par un onduleur est illustrée par de petites machines monophasées). On dégage les qualités essentielles du moteur asynchrone triphasé (glissement limité, couple qui augmente fortement avec g) en faisant référence aux lois de l'électromagnétisme étudiées en Première. Le moteur asynchrone triphasé est une machine peu coûteuse et très répandue. On la trouve dans : les machines outils l'électroménager les motrices du TGV trans-manche I. Composition d'un moteur asynchrone I.1. stator ou inducteur le stator est composé de conducteurs imbriqués dans des encoches situées autour de la carcasse. Ces conducteurs forment trois enroulements destinées à être alimentés par un réseau triphasé. L'ensemble crée un champ magnétique, tournant à la vitesse de synchronisme nS donnée par la relation: nS=f/p. I.2. rotor ou induit Il en existe de deux types a. Rotor à cage d'écureuil ( moteur de faible puissance <1kW) b. Rotor bobiné: il est constitué de conducteurs logés dans des encoches. Ces derniers forment trois enroulement couplés en étoile de structure semblable à celle du stator. Trois bornes situées à l'extérieures et reliées à ces enroulements par l'intermédiaire d'un système bagues - balais permettent à l'utilisateur de modifier les propriétés électromécaniques de la machine I.3. symboles M 3~ II. M 3~ Principe simplifié II.1. Expérience II.2. Interprétation Les trois bobines produisent un champ B tournant à la vitesse de synchronisme nS. Ce champ tournant crée des courants induits sur la périphérie du cylindre qui interagissent avec le champ B en donnant naissance à des forces de Laplace. Le rotor tourne alors à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme La rotation est asynchrone III. Etude du moteur asynchrone III.1. Plaque signalétique Soit la plaque signalétique d'une MAS 220V/380V 50Hz 2,1A/3,6A 750W cos=0,75 1400 tr/min =0,75 220V/380V 2,1A/3,6A 1400 tr/min 50Hz 750W III.2. la tension aux bornes d'un enroulement doit être 220V Intensité nominale du courant en ligne pour un couplage étoile puis triangle vitesse de rotation nominale fréquence d'alimentation puissance utile nominale Vitesse de synchronisme nS Elle ne peut être mesurée au tachymètre. Elle est fixée par la fréquence du réseau et p f n S ou S 2n S p p III.3. Définition du glissement Le rotor tourne à la vitesse n<nS n n S g S nS S III.4. Caractéristique mécanique TU=f(n) V=220V f=50Hz On applique un charge mécanique sur le rotor du moteur et on relève TU et la vitesse n Tu Nm n g tr/min 1498 1450 1400 1335 1245 1150 1000 800 700 500 250 0 % 0,13 3,33 6,67 11,00 17,00 23,33 33,33 46,67 53,33 66,67 83,33 100,00 0 2,5 5 7,5 9,5 11 9,83 9 7,5 5,5 4,5 4 Caractéristique mécanique Tu=f(n) 12 Couple utile Tu 10 8 6 Série1 4 2 0 0 500 1000 1500 Vitesse de rotation n La caractéristique mécanique montre: un couple important au démarrage un moment de couple maximum une zone de fonctionnement linéaire autour du point nominal: le couple utile est alors proportionnel au glissement: T#g Conclusion: En chargeant l'arbre de la machine, la vitesse du rotor à tendance à diminuer (ou g augmente), cependant cette dernière reste proche de la vitesse de synchronisme ( g proche de 0%) IV. Bilan des puissances IV.1. Présentation du banc MAS - génératrice continue Bilan transfert énergie électrique énergie mécanique - énergie électrique Problème couplage en fonction du réseau d'alimentation Confrontation avec la mesure au wattmètre numérique de la puissance sur le moteur Puissance absorbée PA 3UI cos avec =u/j en triangle ou =v/i en étoile On fonctionne en triphasé équilibré: la puissance peut être mesurée avec un wattmètre monophasé, et en multipliant ensuite par 3 IV.2. a. pertes au stator pertes par effet Joule pJs ATTENTION à la mesure de la résistance ( enroulement et entre phase) IJ 3 R entre phases en triangle = 2/3 RS R entre phases en étoile = 2 RS p J S 3R S J 2 RS: résistance d'un enroulement du stator J: intensité du courant dans un enroulement b. pertes dans le fer pfs pfs dépend de u et de f IV.3. puissance transmise au rotor PTR, notée aussi PEM 2 expressions: PTR Pa p js p fs ou PTR TEM S IV.4. TEM: moment du couple életromagnétique S: vitesse de synchronisme Pertes joules au rotor p jr gPTR IV.5. Puissance totale disponible au rotor rotor PR On ne peut pas aller placer un voltmètre, un ohmmètre voire un wattmètre sur les parties de la machine à cage C'est le couple qui passe du stator au rotor à travers l'entrefer Le rotor tourne à <S et reçoit TEM PR TEM n n S Autre expression: g S S 1 g nS S PR TEM S 1 g 1 g PTR IV.6. On vérifie alors que PR+Pjr=Ptr Pertes mécaniques On les considère comme constantes et à peu près égales à la puissance absorbée à vide p e p m p fs Pa vide A peu près simplement car il faut tenir compte des pertes Joule à vide dans le stator IV.7. Puissance utile PU TU IV.8. Rendement PU PA Remarque importante: Le rendement d'un moteur asynchrone est toujours supérieur à 1-g En effet: Pabs>PTR PU=PTR-PjR-pM=(1-g)PTR-pM PU<(1-g)PTR <1-g p J S 3R S J 2 PA 3UI cos ----^--- pFS p jr gPtr ² Ptr TEMS -------^------ PR 1 g Ptr pm PU TU