TP1, Moteur asynchrone

MC53
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Actionneurs
TP1 : moteur asynchrone triphasé
⎯
P2002
François Deleu
David Perrin
UTBM – GMC04
MC53
TP1 : moteur asynchrone triphasé
1. THEORIE
1.1. Désignation
•
plaques signalétiques
•
définition des symboles
MOT 3 ~
LS
80
L
T
N°
B
J
002
Code
kg
IP55
I cl. F
40 °C
S…%
... c/h
V
Hz
min-1
kW
cos ϕ
A
Δ
Y
DE
NDE
50 g
3 900 h
UNIREX N3
Moteur triphasé alternatif
Série
Hauteur d'axe
Symbole de carter
Indice d'imprégnation
Numéro série moteur
Année de production
Mois de production
N° d'ordre dans la série
Réservé
Masse
Indice de protection
Classe d'isolation F
Température d'ambiance maxi de fonctionnement, selon CEI
34-1
Service - Facteur de marche
Nombre de cycles par heures
Tension d'alimentation
Fréquence d'alimentation
Nombre de tours par minute
Puissance nominale
Facteur de puissance
Intensité nominale
Branchement triangle
Branchement étoile
Drive End roulement côté entraînement
Non drive end roulement côté opposé à l'entraînement
Quantité de graisse à chaque relubrification (en grammes)
Périodicité de relubrification (en heures)
Type de graisse
n.b.: La puissance inscrite sur la plaque signalétique est la puissance nominale utile sur
l'arbre Pu (puissance mécanique).
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TP1 : moteur asynchrone triphasé
1.2. Branchement des moteurs asynchrones triphasés
1.2.1. Plaque à bornes
ƒ
ƒ
ƒ
Les moteurs standards sont équipés d’une
plaque de 6 bornes repérées (cf. figure)
Lorsque le moteur est alimenté en U1, V1, W1
par un réseau L1, L2, L3, il tourne dans le
sens horaire pour un observateur placé en
bout d’arbre
En permutant 2 phases d’alimentation, le
moteur change de sens de rotation
1.2.2. Couplages
exemple : moteur 3 x 230 V / 3 x 400 V
1.3. Principes de variation de la vitesse de rotation (moteur asynchrone)
1.3.3. caractéristiques mécanique C=f(N)
•
variation de la fréquence
•
variation de la tension
C/Cn
(N.m)
C/Cn
(N.m)
N/Ns
(tr/min)
N/Ns
(tr/min)
principe couramment utilisé (et qui sera le Principe peu utilisé (seulement pour de
dernier point de ce TP). Il y a conservation petites variations). Il y a réduction du
du rendement pour toute fréquence
glissement et donc du rendement
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2. PRATIQUE
2.1. Etalonnage du capteur de couple
2.1.1. schématisation
L
l
G
x
mb
données
m
F
d
P
D
L=1 m
mb=168
g
m=200 g
d=17
2.1.2. étalonnage à vide
•
calcul du moment :
Le moment théorique à vide (tenant uniquement compte masse mb de la barre) doit
tenir compte du diamètre de la culasse du frein, on obtient :
C0 = Δ ⋅ F ⇔ C0 =
•
L+d
⋅ m ⋅ g = 0,838 N.m
2
mesure du capteur :
On appellera c, la mesure effectuée par le capteur de couple. Celle-ci vaut 45 mV
•
rapport du capteur :
La relation entre couple et tension est linéaire, le rapport permettant de relier ces
deux variables est donné par la relation :
k=
c
= 0,05375
C0
2.1.3. étalonnage pour C=2 N.m
•
calcul du moment :
On déduit la longueur permettant d’avoir un couple C2 de 2 N.m :
D⎞
C2
D
⎛
C2 = Δ′ ⋅ P ⇔ C2 = ⎜ l + ⎟ ⋅ m ⋅ g ⇒ l =
− = 0,5841 m
2⎠
m⋅g 2
⎝
•
mesure du capteur :
La mesure effectuée par le capteur de couple permet d’obtenir c’=150 mV
•
rapport du capteur :
On à vu précédemment que le rapport du capteur devait être constant
(k ≈ 0,05375) . Or avec les données du chargement, on trouve :
k′ =
c′
= 0,0719
C2
D’où k ′ ≠ k …Après vérification, l’erreur proviendrait en fait du capteur de couple ;
le corps d’épreuve étant mal installé, il réagit aux turbulences extérieures
(secousses).
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2.2. Courbes de fonctionnement d’un moteur asynchrone triphasé à cage
2.2.1. Couplage
Le réseau est 230/400 V, cela signifie 230 V entre phase et neutre et 400 entre
phases.
Le moteur est D 230 V et Y 400 V, cela signifie que chacune de ses bobines
pourront recevoir au maximum 230 V pour un montage en triangle et 400 V pour
un montage en étoile. Le réseau délivrant 400 V par phases, on choisira donc un
montage en étoile.
2.2.2. Câblage
unité
centrale
liaisons
terre
capteur
vitesse
frein à
poudre
capteur
couple
moteur
interface voltmètre
réseau
3x 230/400 V
fig 1. schéma de câblage de l’interface
2.2.3. Caractéristiques
•
évolutions de la vitesse de rotation et du couple
On mesure la vitesse de rotation
du moteur ainsi que le couple par
le capteur de couple.
On applique 2 rampes de freinage
durant la période d’échantillonnage
dont la période est définie comme
suit :
%frein
100
80
60
40
20
0
0
r amp e d e f r ei nag e
s
1
2
3
4
5
Ces courbes permettent bien de
vérifier la relation reliant le couple
à l’ inverse de la vitesse de rotation
d’un moteur.
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2.3. Observations des différents paramètres moteurs lors d’un démarrage
2.3.4. Principes de variation
Le dispositif de démarrage doit satisfaire aux exigences suivantes:
Mécanique
ƒ
ƒ
Electrique
Le moteur doit pouvoir démarrer (Td >
Tr)
ƒ
Les conditions d'accélération doivent
être compatibles avec la charge
ƒ
Le courant de démarrage (Id > In) doit
être compatible avec l'alimentation
électrique du moteur.
La chute de tension au démarrage doit
être inférieure à 10 %. Le courant au
démarrage (Id) ne doit pas provoquer le
déclenchement des protections.
Id : intensité de
démarrage
In : intensité nominale
Cd : couple de démarrage
Cr : couple résistant
2.3.5. Réduction de l’intensité au démarrage
ƒ
ƒ
•
Pour réduire la pointe d’intensité au démarrage des moteurs (à rotor en courtcircuit), il faut réduire la tension d’alimentation.
La réduction de la tension d’alimentation du moteur à pour conséquence la
diminution du couple au démarrage.
Influence de la variation de U sur I
•
I/In
(A)
Influence de la variation de U sur C
C/Cn
(N.m)
N/Ns
(tr/min)
N/Ns
(tr/min)
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2.3.6. Caractéristiques
On constate que les paramètres du démarrage du moteur sont le couple et
l’intensité. D’après la théorie, on sait que I=f(C), ce qui devrait être la caractéristique
à tracer afin d’évaluer le démarrage du moteur. Cependant, le capteur de couple
étant douteux, il paraîtrait légitime de supposer que les allures obtenues ne soient
pas totalement justes.
•
évolutions du couple et de l’intensité
Une rampe de freinage décrite comme
suit est appliquée au moteur :
%
r amp e d e f r ei nag e
1 00
75
50
25
s
0
0
1
2
3
4
5
On obtient des courbes caractéristiques
proches de celles définies dans la partie
théorique, ce autant pour le couple que
pour l’intensité qui diminue pour être
minimale en régime nominal ; à faible
vitesse, c’est à dire avant
l’établissement du régime. D’ailleurs la
fréquence d’échantillonnage montre
bien avec 3 points de mesure entre 0 et
1100 trs/min qu’il s’agit une période
transitoire. L’intensité est ainsi
maximale pour un vitesse quasi-nulle
du moteur.
•
évolution du rendement
Une rampe de freinage décrite comme
suit est appliquée au moteur :
%
r amp e d e f r einag e
1 00
75
50
25
s
0
0
1
2
3
4
5
Si l’on superpose les courbes de
rendement et d’intensité en fonction
de la vitesse de rotation, on constate
bien qu’elles s’opposent.
En effet, comme I=f(C), si l’intensité
diminue, le couple diminue ce qui,
ipso-facto provoque une diminution du
rendement.
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Fonctionnement d’un moteur asynchrone avec un variateur électronique
2.3.1. Câblage
unité
centrale
liaisons
terre
capteur
vitesse
frein à
poudre
capteur
couple
moteur
variateur
fréquenc
e
interface voltmètre
réseau
3x 230/400 V
fig 2. schéma de câblage du variateur
2.3.2. paramétrage du variateur
Le variateur électronique permet de faire varier la vitesse du moteur en
fonctionnement.
Ce variateur doit être paramétré afin de s’adapter aux caractéristiques du moteur.
Ces paramètres sont pré-enregistrés dans l’appareil, on se contente de les vérifier
par rapport au câblage moteu. On choisit d’afficher les caractéristiques en fonction
du temps, car la puissance utile et directement reliée à la mesure du couple
(erronée)
2.3.3. Caractéristiques
•
évolution du rendement
L’expérimentation à consisté à faire
varier la fréquence délivrée au
moteur par le biais du variateur de
vitesse.
La plage de fréquence du variateur
est [0-50 Hz] étalée sur la durée de
l’échantillonnage, c’est à dire
l’allure suivante :
Hz
r amp e d e f r éq uence
50
25
0
s
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22
On constate bien sur le graphe que
le rendement est maximal (proche
de 80,5 %) en fin d’échantillonnage
c’est à dire pour 50 Hz, soit la
fréquence nominale du moteur
indiquée sur son bornier, pour
laquelle on a le rendement optimal.
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MC53
•
TP1 : moteur asynchrone triphasé
variateur de vitesse constante ou générateur de fréquence constante ?
On souhaite répondre à la question
de savoir si l’appareil est un
variateur de vitesse assurant une
vitesse constante ou si il
fonctionne en générateur de
fréquence constante. Pour cela, on
règle le variateur pour une
fréquence donnée (ici, 40 Hz) et
l’on applique une rampe de
freinage progressive définie comme
suit :
%frein
100
80
60
40
20
0
0
r amp e d e f r ei nag e
s
2
4
6
8
10
On constate bien sur le graphique
que le variateur ne compense pas
la vitesse au cours du temps
comme le ferait un système
asservit. Dans le cas contraire
d’une compensation du variateur,
on aura eu une courbe rectiligne.
La fréquence délivrée par le
variateur ne change pas, on à donc
bien à faire à un générateur de
fréquence constante
3. CONCLUSIONS
Ce TP à permis d’entrapercevoir le fonctionnement du moteur asynchrone. Les
problèmes rencontrés, notamment au niveau du capteur de couple auront somme
toute été bénéfiques :
D’une part afin d’aiguiser notre sens critique devant les données scientifiques
erronées et puis d’un point de vue pratique, cela nous à permis d’entrer plus en
détail dans le fonctionnement « matériel » du TP.
D’autre part cela nous aura poussé à confronter et valider nos expérimentations
avec la théorie extraite de la littérature électrotechnique 1 .
Enfin on voit à quel point, les capteurs (objets d’étude de MC51) peuvent s’avérer
sensibles, particulièrement du point de vue de la mise en œuvre du corps d’épreuve,
qui aura vraisemblablement été l’origine de ce mauvais fonctionnement.
1
sources : Bourgeois René, Dalle Patrick, Eric Esvan, Bernard Maizières et Eric Seuillot.- Electrotechnique,
Automatique et Informatique Industrielle.- Data STI.- Paris : Foucher. 1995.
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