PARTIE B : MOTEUR ASYNCHRONE
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BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE Session 2003 PHYSIQUE APPLIQUÉE Série : Sciences et Technologies Industrielles Spécialité : Génie Electrotechnique Durée de l’épreuve : 4 heures – coefficient : 7 Il est rappelé aux candidats que la qualité de la rédaction et la clarté des raisonnements entreront pour une part importante dans l’appréciation des copies. Le sujet comporte 7 pages (notées 1/7 à 1/7). Les différentes parties sont indépendantes. Les documents réponses sont à rendre avec la copie. L’usage de la calculatrice est autorisé. STI Génie Electrotechnique – Sciences Physiques et Physique Appliquée – REPERE : 3 PYET PO1 Page 1 sur 7 Un technicien doit rédiger une notice technique d’utilisation de différents moteurs électriques. Le sujet porte sur une partie de ce travail : utilisation des données des plaques signalétiques, précautions d’emplois, variateur de vitesse. Les moteurs étudiés - Moteur à courant continu à excitation indépendante - Moteur asynchrone à cage PARTIE A : MOTEUR A COURANT CONTINU A-I- ETUDE DU MOTEUR Le moteur à courant continu est à excitation indépendante. I ie Alimentation 0-160 V U Ue Alimentation 0-220 V Ω Charge mécanique Tr :couple résistant La plaque signalétique indique les valeurs suivantes pour le point nominal de fonctionnement : - tension nominale d’excitation ue = 160 V - courant nominal d’excitation ie = 0,40 A ; - tension nominale d’induit Un = 220 V ; - intensité du courant dans l’induit In = 6,0 A ; - fréquence de rotation Nn = 1200 tr.min-1 ; - puissance utile nominale Pun = 1,1 kW ; - résistance de l’induit R = 3,0 . 1) Donner le schéma équivalent de l’induit. Préciser la convention utilisée. En déduire la relation entre E, U et R. 2) Pour le fonctionnement nominal : 2.1. déterminer le moment du couple utile nominal Tun ; 2.2. calculer la f.e.m induite En ; STI Génie Electrotechnique – Sciences Physiques et Physique Appliquée – REPERE : 3 PYET PO1 Page 2 sur 7 2.3. calculer les pertes par effet Joule totale Pjn du moteur et déduire les pertes collectives Pc ; 2.4. calculer le rendement du moteur ; 2.5. calculer le moment du couple électromagnétique Temn et le moment du couple des pertes Tp. 3) Réglage de la vitesse. L’intensité du courant d’excitation est constante, égale à sa valeur donnée par la plaque signalétique. On suppose que le moment du couple des pertes est constant et égal à Tp = 0,9 Nm. 3.1. Montrer que le moment du couple électromagnétique est proportionnel à l’intensité I du courant dans l’induit : Tem = k.I . 3.2. Montrer que la force électromotrice E s’exprime par la relation : E = 10.n ( E en volts et n en tr.s-1 ). 3.3. Compléter le tableau de réglage du moteur , figure 1 du document réponse n°1 (page n°6) en précisant les sens des éventuelles variations de la vitesse et de l’intensité du courant d’induit .Justifier. 3.4. Le moteur entraîne une charge de couple résistant Tr = 5 N.m à la fréquence de rotation 600 tr.min-1. Calculer la tension d’induit U’ correspondante. 4) Utilisation et entretien du moteur : 4.1. Au niveau des alimentations des bobinages de la machine, que doit-on faire lors du démarrage ou de l’arrêt du moteur ? 4.2. Quelle partie fragile du moteur doit-on surveillée et entretenir régulièrement ? STI Génie Electrotechnique – Sciences Physiques et Physique Appliquée – REPERE : 3 PYET PO1 Page 3 sur 7 A-II -COMMANDE DE LA VITESSE DU MOTEUR PAR PONT A QUATRE THYRISTORS On utilise un pont à 4 thyristors, alimenté par le secondaire d’un transformateur. Il alimente une charge formée par l’association en série du moteur à courant continu et d’une inductance de lissage (modélisation par une charge de type R-L-E). ic iTh1 Th1 L Th2 iS u E uc Th4 Th3 R L’angle de retard à l’amorçage des thyristors est noté 0 . Les thyristors sont considérés comme parfaits. Th1 et Th3 sont commandés à 0 + k.2 ; Th2 et Th4 sont commandés à 0 + k.(2 +1). 1) On suppose que la bobine est parfaite. Ecrire la relation entre les valeurs instantanées de uc et ic en fonction de E, R et L. En déduire la relation entre les valeurs moyennes. 2) Le courant dans la charge est supposé constant, ic = Ic. Compléter la figure 2 du document réponse n°1 (page n°6). 2.1. Tracer les allures de uc, iTh1, et is.. 2.2. Indiquer les éléments conducteurs (Th1, Th2, Th3, Th4). 3) On rappelle l’expression de la valeur moyenne <uc> de la tension uc en fonction de la valeur maximale Umax de u et de 0 : <uc> = 2.Umax cos 0 Calculer sa valeur pour 0 = et Umax = 325 V. 3 4) Comment varie la fréquence n de rotation du moteur quand 0 diminue ? Préciser les variations de <uc> et E. STI Génie Electrotechnique – Sciences Physiques et Physique Appliquée – REPERE : 3 PYET PO1 Page 4 sur 7 PARTIE B : MOTEUR ASYNCHRONE Un moteur asynchrone triphasé tétra polaire ( 4 pôles) à cage porte les indications suivantes : Y : 400 V ; 3,2 A Δ : 230V ; 5,5 A ; 50 Hz ; cosφ = 0,84 1430 tr min-1 ; 1,5 kW Le moteur est alimenté par une alimentation triphasée 230 / 400 V ; 50 Hz. 1) Comment doit-on coupler le stator ? Justifier votre réponse. 2) Compléter la plaque à bornes représentée sur la figure 3 du document réponse 2 (page n°7), en indiquant les intensités des courants, les liaisons électriques et le branchement des appareils pour mesurer la puissance active. 3) Calculer la fréquence de synchronisme ns. 4) Calculer le glissement au fonctionnement nominal. 5) Bilan de puissances. 5.1 Compléter l’arbre de puissances figure 4 du document réponse 2 (page n°7) , en indiquant uniquement les noms des puissances (Pm indique les pertes mécaniques). Pour le fonctionnement nominal, calculer : 5.2 la puissance active absorbée et le rendement du moteur. 5.3 les pertes par effet Joule au stator, sachant que la résistance équivalente entre bornes du stator est R = 8 Ω ; 5.4 la puissance transmise au rotor sachant que les pertes dans le fer du stator sont Pfs= 60 W ; 5.5 les pertes par effet Joule dans le rotor. 6) Réglage de la vitesse. Le réglage de la vitesse du moteur se fait à l’aide d’un onduleur triphasé qui maintient constant le rapport U/f = 8 V/Hz, (U : tension entre phases et f :fréquence des tensions). La charge entraînée impose un couple résistant constant de moment égal à celui du couple utile nominal du moteur : Tr = TUN = 10 N.m. 6.1 Tracer sur la figure 5 du document réponse 2 (page n° 7), la partie utile de la caractéristique mécanique du moteur TU(n) quand f = 50 Hz, et la caractéristique Tr(n) de la charge. (On suppose que le moteur à vide tourne à la fréquence de synchronisme). 6.2 On veut maintenant régler la fréquence de rotation du moteur à n = 1340 tr min-1. Tracer la nouvelle caractéristique mécanique TU(n) du moteur. En déduire les valeurs de nS, f et U. STI Génie Electrotechnique – Sciences Physiques et Physique Appliquée – REPERE : 3 PYET PO1 Page 5 sur 7 DOCUMENT REPONSE 1 Réglage Influence sur : La vitesse Si on augmente U à Tr constant Si on augmente Tr à U constante Le courant d’induit I Figure 1 : Réglage du moteur uc u 0 -u 0 0 0 + u 2 0 +2 (rad) ic Ic 0 0 + 2 0 +2 (rad) iTH1 Ic Figure 2 0 0 0 + 2 0 +2 (rad) 0 0 + 2 0 +2 (rad) IS Ic 0 -Ic Eléments conducteurs STI Génie Electrotechnique – Sciences Physiques et Physique Appliquée – REPERE : 3 PYET PO1 Page 6 sur 7 DOCUMENT REPONSE 2 I= J= j Alimentation Triphasée 230V/400V I1 Figure 3 : couplage et mesures pour le moteur asynchrone Puissance absorbée Pa Puissance utile Pu Tu en N.m Figure 4 : Bilan de puissances du moteur asynchrone 14 12 10 8 6 4 2 0 1150 1200 1250 1300 Figure 5 1350 1400 1450 1500 n en tr/min STI Génie Electrotechnique – Sciences Physiques et Physique Appliquée – REPERE : 3 PYET PO1 Page 7 sur 7
