Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès Dans ce cours vous allez retrouver des généralités sur les moteurs électriques (MCC et MCA), puis l'alimentation des moteurs à courant continu (pas toutes les configurations, juste celles que nous avons abordées en salle). Les caractéristique principales des charges entrainées ainsi que les caractéristiques mécaniques des moteurs électriques, le point de fonctionnement de l'ensemble moteur-charge et puis quelques notions sur le réglage de la vitesse. 1 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès I.1 Les machines électriques : On définit une machine électrique comme étant un dispositif de conversion entres deux types d'énergies, l'une d'entres elles est électrique. Quand la conversion est Electrique => Mécanique notre machine est un moteurs, mais quant conversion est Mécanique => Electriques la machine est une génératrice. MOTEUR Electrique Conversion d'énergie Mécanique GENERATRICE I.2 Les types des moteurs électriques: On trouve principalement des moteurs électriques à courant continu et des machines à courant alternatif. I.2.1 Moteurs électriques alimentées à courant continu : Les symboles du moteur à courant continu : Le moteur comprend : Un circuit magnétique comportant une partie fixe, le stator, une partie tournant, le rotor et l’entrefer l’espace entre les deux parties. Une source de champ magnétique nommée l’inducteur (le stator) crée par un bobinage ou des aimants permanents; Un circuit électrique induit (le rotor) subit les effets de ce champ magnétiques; Le collecteur et les balais permettent d’accéder au circuit électrique rotorique Constitution de la machine à courant continu I.2.1.1 Principe de fonctionnement du moteur à courant continu : 2 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès L'inducteur crée un champ magnétique, ce dernier sort du pôle nord, traverse l'entrefer et pénètre dans le rotor, en balayant l'enroulement rotorique, puis rejoint le pole sud. Les enroulements rotoriques, déjà alimentée à travers le collecteur et les balais, sont traversé par un courant électrique, qui garde le même sens de circulation, grâce au collecteur, au prés de chaque un des pôles statoriques. Les deux brins d’une spire placée dans le champ magnétique B , subissent des forces électromagnétiques F 1 et F 2 formant un couple de force qui fait tourner le rotor. Représentation des vecteurs s'exerçant sur les conducteurs du rotor Courant Champs Force La règle des trois doits qui détermine les sens des vecteurs, champs courant et force. Circuit magnétique d’un moteur à courant continu bipolaire I.2.1.2 Les différents types des moteurs à courant continu : Selon les différents montages possibles entre les enroulements rotoriques et statoriques on obtient les différents types existants, on trouve donc : a. Moteur à excitation indépendante : Les deux enroulements statoriques et rotorique sont alimentés avec des sources de tensions indépendantes. Il faut, donc, deux alimentations : une pour l’inducteur et l’autre pour l’induit. Schéma d'un moteur à courant continu à excitation indépendante 3 b. Moteur à excitation série Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès : Pour ce type de moteur, les enroulements statorique et rotorique sont alimentés en série. La tension d'alimentation est partagée en le rotor et le stator. Schéma d'un moteur à courant continu à excitation série c. Moteur à excitation composée (ou compound): Dans le moteur compound une partie du stator est raccordé en série avec le rotor et une autre est de type parallèle ou shunt. Ce moteur réunit les avantages des deux types de moteur : le fort couple à basse vitesse du moteur série et l'absence d'emballement (survitesse) du moteur shunt. exs exp Schéma d'un moteur à courant continu à excitation série I.2.1.3 Force électromotrice et loi d'ohm : Nous avons ici le modèle simplifié d'un moteur à courant continu. Avec : R : Résistance de l'induit (en ohm) E : Force électromotrice (en Volt) U : Tension appliquée aux bornes de l'induit. En réalité, il existe aussi une inductance L en série avec R. On doit tenir compte de cette inductance si le courant I varie. (en vitesse variable, par exemple) 4 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès Force électromotrice : E = k.Ф.n. Avec : E : en volt, n : vitesse de rotation en tour/s (hz), k : Cste moteur, Ф: flux magnétique. Loi d'ohm : U = RI + E D'où Vitesse de rotation n = (U-RI)/(k.Ф) On remarque qu'il ne faut donc jamais couper l'excitation d'un moteur à courant continu si l'induit reste sous tension : la vitesse va croître dangereusement (emballement du moteur). (Destruction de moteur sous l'effet de l'énergie centrifuge) Si le flux d’excitation Ф (généré par l’inducteur) est constant, on peut écrire : E = K.Ω avec K en Volt/(rd/s) , Ω en rd/s (vitesse angulaire de l’arbre moteur) et E en volt La fem E est proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur Cem = K.I avec K en Nm/A, Cem : couple électromécanique en Nm , I en ampère. Le couple est proportionnel au courant absorbé Note : les deux K sont identiques, ont peut donc écrire : E/ Ω = Cem/I Donc : E.I = Cem Ω = Pem Pem : Puissance électromécanique. I.2.1.4 Les puissances dans le moteur électrique Puissance utile : c'est la puissance mécanique sur l’arbre du moteur Pu = Pem – (pertes mécaniques + pertes magnétiques) avec Pu en Watts. Puissance absorbée : Pabs = U.I (U : tension d’alimentation en Volt, I : courant absorbé en ligne, Pabs en Watts) Pertes : Les pertes dans le moteur sont à la fois : pertes par effet joules (R.I2) , pertes magnétiques, et pertes mécaniques Bilan des puissances pour le moteur : Pabs (U,I) (Puissance Absorbée) Pu (Puissance utile en sortie) Moteur PERTES 5 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès On peut décomposer en : Pu = Cu.Ω Pabs (U,I) (Puissance Absorbée) Pem = E.I = Cem Ω = UI – RI2 PERTES Joules R.I2 PERTES magnétiques et mécaniques Rendement : Le rendement = Puissance fournie (utile) / Puissance totale absorbée. = Pu / Pabs Pabs = U.I (+ puissance absorbée par l'inducteur) Pu = Cu.Ω, d'où rendement η= (Cu. Ω)/UI I.2.2 Moteurs électriques alimentées avec courant alternatif : I.2.2.1 Définition : Se sont des machines qui se constituent d'un rotor et d'un stator. Le stator est alimenté par un courant alternatif, qui produit un champ magnétique statorique tournant qui est à la base de leur principe de fonctionnement. Il existe deux types de machine à courant alternatives : Les machines synchrones et les machines asynchrones. I.2.2.2 Les différents types des machines synchrones : a. Les machines synchrones : Le terme synchrone signifie que la vitesse de rotation du rotor est égale à la vitesse du champ tournant statorique. Constitution et principe de fonctionnement : Rotor : Il est constitué d’un enroulement créant un champ magnétique 2p polaire. Il possède donc p paires de pôles. Le champ magnétique rotorique est soit crée par alimentation en courant continu par l’intermédiaire de bagues et de balais du circuit rotorique soit par des aimants permanents. Stator : C'est la partie fixe du moteur. Il comporte trois bobinages (ou enroulements) qui peuvent être couplés en étoile Y ou en triangle ∆ selon le réseau d’alimentation. Les enroulements du stator sont le siège de courants alternatifs monophasés ou triphasés. Ils possèdent le même nombre de paires p de pôles que le rotor. Le champ magnétique statorique créé tourne à la pulsation S qui correspond à la fréquence de des courants alternatifs alimentant le stator. Le champ tournant du stator accroche le champ inducteur solidaire du rotor. Le rotor ne peut donc tourner qu’à la vitesse de synchronisme S. 6 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès Répartition du champ magnétique dans l’entrefer d’une machine synchrone Machine synchrone tétra polaire à rotor saillant bobiné b. Les machines asynchrones : Les machines sont asynchrones, donc, leur vitesse de rotation n'est jamais égale, toujours inférieur, à la vitesse du champ tournant statorique. Constitution et principe de fonctionnement : Le moteur asynchrone triphasé, qui est le récepteur de puissance des installations industrielles, est formé d’un : Stator : Comme pour la machine synchrone, le stator constitue la partie fixe du moteur. Il comporte trois enroulements qui peuvent être couplés en étoile Y ou en triangle. Rotor : la partie tournante du moteur. Cylindrique, il porte soit un bobinage (d’ordinaire triphasé comme le stator) soit accessible par trois bagues et trois balais, soit une cage d’écureuil non accessible, à base de barres conductrices en aluminium. Dans les deux cas, le circuit rotorique est mis en court-circuit en étoile ou en triangle (par des anneaux ou un rhéostat) On dispose sur le stator de trois bobines identiques, Ces trois bobines alimentées par un système de tension triphasé produisent un champ magnétique tournant, champ inducteur, le rotor se trouvant au centre de ce champ. Tant que le rotor à une fréquence de rotation différente que celle du champ inducteur, chaque point de rotor voit une variation de champ. A cause de cette variation, les conducteurs rotoriques produisent donc une f.é.m qui, dans le circuit fermé, va donner naissance à des courants induits. La présence de ces courants induits et du champ inducteur fera apparaître une force mécanique qui fera tourner le rotor. Le rotor ne pourra jamais tourner à la même vitesse que le stator. 7 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès Représentation des trois phases statoriques du moteur à courant alternatifs Machine asynchrone avec rotor à cage d'écureuil Rotor à cage d'écureuil pour machine asynchrone I.2.2.3 Vitesse de rotation, vitesse de synchronisme, glissement et couple : Le principe de fonctionnement du moteur asynchrone repose sur la création d'un champ magnétique tournant. Le stator sera donc identique à celui d'un moteur synchrone. Les bobinages triphasés du stator créent un champ magnétique tournant à la vitesse ΩS qui dépend de la pulsation d'alimentation 𝑤 = 2. 𝜋. 𝑓, mais aussi du nombre de paires de pôles p du stator (relation ci-dessous) : 𝛺𝑠 = 𝑤 𝑝 Avec : 𝛺𝑠 : vitesse angulaire de champ tournant (synchronisme) en rad/s 𝑤: Pulsation d'alimentation 𝑝: Nombre de paire de pôles La rotation du rotor la vitesse 𝛺 est légèrement inférieure à 𝛺𝑠 , le glissement est donc donné par : 𝑔= 𝛺𝑠 − 𝛺 𝑛𝑠 − 𝑛 = 𝛺𝑠 𝑛𝑠 Avec : 𝑔: Glissement. 𝑛𝑠 : vitesse angulaire de champ tournant (synchronisme) en tr/mn 𝑛: vitesse angulaire du rotor en tr/mn. 8 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès Si le glissement est faible (fonctionnement nominal) on peut estimer que le couple est proportionnel au glissement : 𝑇 = 𝑘. 𝑔 Avec : T: le couple. k: Cste. g : le Glissement. II. Alimentation des Moteurs à courant continu : II.1 Alimentation par des rhéostats de démarrage : Dans ce cas le rhéostat est utilisé principalement pour limiter le courant de démarrage, mais il peut être aussi utilisé pour la variation de vitesse. Le rôle du rhéostat est dissiper une partie de la puissance débitée par la source et ainsi limiter la puissance absorbée par le moteur. La figure ci-contre montre le schéma de câblage d'un rhéostat courant. (Exemple moteur en dérivation) Fonctionnement du montage : Un bras conducteur, portant deux frotteurs "a" et "b", est connecté à une des bornes de l'alimentation. Lorsque le moteur est à l'arrêt, le bras repose sur le plot "0" qui est isolé. Au démarrage, le frotteur "b" touche d'abord le plot "1", ce qui établit la tension d'excitation et le courant dans l'induit limité par la résistance totale du rhéostat. Le courant d'excitation ne s'établit que lentement car la constante de temps du circuit d'excitation est importante. Le frotteur "a" entre ensuite en contact avec le secteur conducteur de sorte que la tension d'alimentation reste constamment appliquée au circuit d'excitation. En passant d'un plot à l'autre, le frotteur réduit la valeur de la résistance de démarrage jusqu'à l'annuler. Choix des résistances de démarrage : Selon le modèle de la machine a courant continu, on a : U = RI + E et E = k.Ф.n, au démarrage n = 0 donc E=0 c.a.d U = RI et si on veut limiter le courant I à des valeurs bien précises, il faut choisir R en fonction de la tension d'alimentation, sachant que R est la somme de la résistance interne du moteur et celle additionnelle. 9 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès II.1 Alimentation électronique des moteurs à courant continu : L'alimentation électronique des moteurs est basée sur les convertisseurs électroniques d'énergie. Le choix du type du convertisseur dépend de l'énergie disponible à la source (continue ou alternative) et les caractéristiques de commande qu'on cherche à obtenir. Si la tension de la source est continue on utilise un hacheur Si la tension de la source est alternative on a deux possibilités : soit un redresseur commandé ou un redresseur plein diode associé à un hacheur. Alimentation à tension continue Alimentation à tension alternative Redresseur plein diodes Alimentation à tension alternative MCC Hacheur MCC Hacheur Redresseur commandé MCC II.1 Alimentation des moteurs à courant continu par un hacheur : La Figure suivante représente le schéma de principe d'un hacheur série ainsi que la tension et le courant à l'entrée du moteur. Le moteur est représenté par son schéma équivalent. La chute de tension balais/collecteur est négligée. La tension de la source d'alimentation est constante et égale à V a. A l'instant t=0, le transistor est rendu passant : la source Val est donc appliquée aux bornes du moteur et débite un courant i qui augmente exponentiellement selon la constante de temps Ta de la machine vers une valeur asymptotique égale à (Val - e)/Ra. A l'instant t = tc, le transistor est rendu bloquant, le courant i se referme par la diode de roue libre D et la tension aux bornes de la machines est nulle. Le courant ia diminue donc exponentiellement. Les phénomènes se reproduisent avec une période T. 10 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès Un hacheur série alimentant un MCC Tension et Courant a l'entrée du MCC II.1.2 La tension moyenne : La tension moyenne aux bornes de la machine vaut : 𝑉𝑎 𝑚𝑜𝑦 = 𝑉𝑎𝑙 𝑡𝑐 𝑇 𝑉𝑎 𝑚𝑜𝑦 est donc réglable aux bornes du moteur et elle varie linéairement en fonction de 𝑡𝑐 Si la période T est faible devant la constante de temps Ta du rotor, le courant est pratiquement constant. II.1.3 Fonctionnement dans les quatre quadrants : Le schéma de principe est celui de la Figure suivante où les sens positifs du courant et de la tension d'armature sont indiqués 11 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès Le fonctionnement dans le premier quadrant (ia >0, e>0) est obtenu en rendant T4 passant et en faisant jouer le rôle de hacheur à T1. La diode de roue libre est D 2. Le fonctionnement dans le troisième quadrant (ia <0, e<0) est obtenu en rendant T2 passant et en faisant jouer le rôle de hacheur à T3 . La diode de roue libre est D4 . Pour le fonctionnement dans le deuxième quadrant (ia >0, e<0), D3 est passant, T1 est le hacheur et D assure le retour du courant par la source. Pour le fonctionnement dans le quatrième quadrant (i <0, e>0), D1 est passant, T3 est le hacheur et D4 assure le retour du courant par la source. II.2 Chaîne de transmission électromécanique: La chaine de transmission complète est représentée par figure suivante : Arbre Couplage/Réducteur moteur Réseau Alimentation Moteur Pa Pa m Pu Tm m K r Pc c Tc J Charge K Pu Tm m m K= r/ m r Pc c Tc J : Puissance absorbée par le moteur en W ou kW : Rendement du moteur (m= Pu / Pa) : Puissance utile fournie par le moteur sur l’arbre en W ou kW (Pu = Tm m) : Couple utile sur l’arbre moteur ou couple résistant opposé par la charge en Nm : Vitesse de rotation de l’arbre moteur en rad/s : Rapport de réduction du réducteur (K = r / m ) : Rendement du réducteur (r = Pc/ Pu ) : Puissance demandée par la charge en W ou kW : Vitesse de rotation de la charge en rad/s : Couple résistant de la charge en Nm : Moment d’inertie de la charge en kg/m2 I.2.1 Caractéristiques des charges entrainées : Définit les besoins de la machine entraînée. Lorsque cette caractéristique n’est pas connue, elle est assimilée à l’une des trois caractéristiques ci dessous. Caractéristique de levage 1 : Le couple résistant Tr est plus fort au décollage. Tr cte Exemples : - Tapie roulant; - Levage. (2) (1) (3) La caractéristique du couple résistant des différents types de charges en fonction de la vitesse 12 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès Caractéristique de ventilation 2 : Le couple résistant Tr est assez faible au décollage. Il croit avec la vitesse selon une loi donnée : Tr k '.2 Exemples : Pompe centrifuge, Ventilateur. Caractéristique concasseur 3 : Le couple résistant Tr est important au décollage, il décroît avec la vitesse. k '' Tr La puissance P est constante. Exemple : Concasseur. I.2.2 Caractéristiques mécaniques des moteurs électriques : La caractéristique mécanique de moteurs électrique est celle qui exprime la variation de la vitesse de rotation du moteur en fonction du couple charge. Tous les moteurs électriques présentent une fonction de vitesse de rotation décroissante avec l'augmentation du couple charge. La nature de la variation permet de classer ces caractéristiques en trois catégories : a. Caractéristiques mécanique absolument rigides : Cela veut dire que la variation de la vitesse est négligeable, sinon nulle. C'est la cas des moteurs électriques synchrones. b. Caractéristiques mécanique rigides : dans ce cas la vitesse de rotation du moteur baisse légèrement avec l'augmentation du couple charge. C'est le cas des moteurs à courant continu à excitation séparée ou shunte et des moteurs asynchrones. c. Caractéristiques mécanique souple : pour ce type de caractéristiques la variation de la vitesse en fonction du couple est très importante. Pour une petite variation de couple, on a une très grande chute de vitesse de rotation. Vitesse a b c Couple Différentes caractéristiques mécaniques des moteurs électriques 13 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès I.3.1 Point de fonctionnement : En fonctionnement moteur : c'est le point où le couple 'tension, courant' permet le fonctionnement de la machine pour un couple 'vitesse, couple' donné. Dans tous les cas, c'est la charge qui impose le point de fonctionnement d'une machine électrique. Le moteur ayant une caractéristique mécanique définie, la charge ayant une autre. Le point du fonctionnement est donné par l'intersection des deux caractéristiques. Vitesse Caract. mec. du moteur Caract. mec. de la charge Le point de fonctionnement Couple II. Réglage de vitesse des moteurs électriques : II.1. définition : Le réglage de vitesse est une imposition de la vitesse de rotation du moteur pour les couples charges qui restent inferieurs aux couples maximum que le moteur peut développer au voisinage de la vitesse de rotation recherchée. Le but de la variation de la vitesse est : Répondre aux exigences du processus Amélioration des performances de fonctionnement II.2 Indice de réglage de vitesse : Plusieurs méthodes peuvent nous permettre régler la vitesse d'un moteur électrique. Mais toutes n'ont pas les mêmes performances. Parmi les indices qui permettent de classer ces méthodes, On trouve : a. La gamme de réglage de vitesse : c'est le rapport entre la valeur maximale et minimale des vitesses qu'on obtenir. 𝑔= 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑚𝑖𝑛 b. La progressivité de réglage : C'est le nombre de vitesse stable qu'on peut obtenir dans une gamme de réglage donnée. Plus le nombre des vitesse possible est élevé plus la progressivité est meilleure. c. La stabilité du réglage : La stabilité de fonctionnement à une vitesse donnée correspond à la variation de la vitesse pour une variation donnée du couple. Donc, on peut dire que plus la rigidité de la caractéristique mécanique est grande plus la stabilité est meilleure. d. Le sens du réglage de vitesse : Il indique l'augmentation ou la diminution de la valeur de la vitesse par rapport à la vitesse nominale. 14 Cours Equipements Electriques FHC Boumerdès e. La rentabilité de réglage de vitesse : La rentabilité d'un système de variation de vitesse est un facteur important. En plus d'être fiable les système doit être rentable, autrement dit : Assurer une diminution des dépenses d'exploitation et garantir un amortissement des investissement consentis. 15