MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE

MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE
GENIE ELECTRIQUE
FICHE DE PREPARATION PEDAGOGIQUE
Thème : MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE
REFERENCE
PROGRAMME
Article 19
OBJECTIFS DE LA SEANCE
- Identifier un moteur asynchrone triphasé.
- Tracer des caractéristiques.
- Décrire et utiliser les règles de branchement et de
protection d’un moteur asynchrone triphasé.
- Mettre en œuvre une chaîne de démarrage.
PRE-REQUIS
-
Circuit électrique en alternatif monophasé.
Adaptation en tension.
Réseau triphasé équilibré.
Grandeurs électriques d’un circuit triphasé équilibré.
SAVOIR NOUVEAUX
- Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone triphasé.
- Démarrage d’un moteur asynchrone triphasé.
CONDITIONS DE REALISATION
Supports :
- Moteur asynchrone triphasé.
- Maquette de principe de fonctionnement du moteur asynchrone triphasé
- Maquette de démarrage du moteur asynchrone triphasé
- Appareils de mesure ( voltmètre, ampèremètre )
CRITERES D’EVALUATION
- Exercice.
FICHE DE DEROULEMENT
N°
OBJECTIFS
ETAPES
&
DUREE
CONTENUS
PROFESSEUR
-Identifier la fonction d’un moteur
Mise en situation
asynchrone triphasé.
10 mn
1 -Savoir les domaines d’utilisation
d’un moteur asynchrone triphasé.
-Les domaines
d’utilisation d’un
moteur asynchrone
triphasé
-Identifier les deux parties
essentielles (rotor, stator) d’un
moteur asynchrone triphasé
-Savoir les deux modes de
couplage (étoile, triangle) des
enroulements du stator
2 -Savoir le principe de
fonctionnement d’un moteur
asynchrone triphasé
-Savoir les caractéristiques d’un
-Constitution d’un
moteur asynchrone
triphasé
-Couplage des
enroulements du stator
-Principe de
fonctionnement
-Vocabulaires et
formules
-Bilan de puissances
Phases
d’apprentissage
190 mn
ACTIVITES
-Présenter et
faire fonctionner
le tour et la
fraiseuse
-Montrer les
moteurs et leurs
alimentations
-Montrer le
rotor et le stator
-Montrer le
couplage des
enroulements
du stator de
moteur de la
perceuse
-Présenter la
maquette du
MOYENS
ELEVES
-Observer
-Tour
l’alimentation et -Fraiseuse
le fonctionnement -Perceuse
des moteurs
asynchrones
triphasés
-Observer
-Vérifier le
couplage des
enroulements
-Mesurer les
tensions du réseau
-Lire les
indications sur la
plaque
signalétique du
-Moteur
asynchrone
triphasé d’une
perceuse
-Maquette de
principe de
fonctionnement
-Transparents
+
rétroprojecteur
3
moteur asynchrone triphasé
-savoir démarrer un moteur
asynchrone triphasé ( direct, étoile
triangle)
-Caractéristiques
I=f(n) et T=f(n)
-Application
-Démarrage d’un
moteur asynchrone
(direct :un et deux sens
étoile-triangle :un et
deux sens)
principe de
fonctionnement
-faire les
expériences
-aider les élèves
à comprendre
le principe
-Présenter les
maquettes de
démarrage
-Aider les élèves
à faire le câblage
moteur de la
perceuse
-Prendre notes
-observer et
constater et
conclure d’après
les expériences
-Faire le câblage
et démarrer le
moteur
-résoudre
l’application
Maquettes de
démarrage de
moteur
asynchrone
triphasé
-Evaluer
-Exercices
-Fournir
l’énoncée de
l’exercice
-Guider aider les
les élèves à
trouver la
solution exacte
-Lire
attentivement
l’énoncée de
l’exercice
-Penser à la
solution
-Prendre la
correction
-Transparents
+
Rétroprojecteur
EVALUATION
20 mn
Article : 19
B - MOTEURS ASYNCHRONE TRIPHASE
OBJECTIFS SPECIFIQUES :
• Identifier un moteur asynchrone triphasé
• Tracer des caractéristiques
• Décrire et utiliser les règles de branchement et de protection d’un moteur asynchrone
triphasé.
• Mettre en œuvre une chaîne de démarrage.
A – PRESENTATION :
L’actionneur électrique le plus utilisé dans les équipements automatiques et les machines
outils ( exemple : tour, fraiseuses ) est le moteur asynchrone triphasé à cage ( ou à rotor en
court-circuit).
B – 1 CONSTITUTION :
Figure 1
Figure 2
B – 1 - 1 ROTOR
♦ Le rotor : partie tournante solidaire de l'axe du moteur.
Figure 3
Il comprend des conducteurs parallèles à son axe lui donnant l'aspect d'une cage d'écureuil.
Ces conducteurs sont parcourus par des courants induits : courants de Foucault .
Des tôles empilées en cylindre forment le circuit magnétique du rotor.
Rotor à cage
Figure 4
Figure 5
Figure 6
B – 1 - 2 STATOR
Le stator : partie fixe constituée par la carcasse du moteur sur laquelle sont montées des
bobines ou enroulements.
Figure 7
Figure 8
Figure 9
Les enroulements sont au nombre de trois et sont décalés de 120°.
Le stator produit un champ magnétique tournant.
Figure 10
Les enroulements du stator sont couplés soit en étoile, soit en triangle.
Sur des nombreux moteurs, les deux couplages sont réalisables et donnent au moteur la
possibilité de fonctionner avec deux systèmes différents de tensions triphasées.
Exemple : Si chaque enroulement peut supporter une tension de 220 v
- sur un réseau 127/220 v, on couplera en triangle.
- Sur un réseau 220/380 v, on couplera en étoile.
La plaque à bornes du moteur à toujours les entrées des enroulements repérées U, V, W et les
sorties correspondantes X, Y, Z qui sont raccordées comme la figure suivante ( Figure 11 ) :
Entrées
U
Sorties
Z
V
W
X
Y
Figure 11
Alimentation triphasée
Alimentation triphasée
U
U
Z
V
W
X
Y
Figure 12
Couplage étoile
Z
V
W
X
Y
Figure 13
Couplage triangle
B – 2 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT :
B – 2 - 1 EXPERIENCE 1 : Un aimant en U est en rotation au dessus d’une aiguille aimantée.
Figure 14
Constatation :
- L’aiguille aimantée tourne à la même vitesse (n) que l’aimant permanent .
Interprétation :
- L’aimant en U en rotation produit un champ magnétique tournant à vitesse (ou
fréquence) n appelée vitesse synchrone .
B – 2 – 2 EXPERIENCE 2 : L’aimant est remplacé par trois bobines disposées de 120° l’une
par rapport à l’autre, et alimentées par des tensions alternatives
triphasées.
Figure 15
Constatation :
- L’aiguille aimantée continue à tourner à la même fréquence de rotation (n)
Interprétation :
Les trois bobines alimentées en triphasé produisent un champ magnétique tournant à la
même fréquence n.
B – 2 – 3 EXPERIENCE 3 : L’aiguille aimantée est remplacé par un disque ( ou cylindre )
métallique.
Figure 16
Constatation :
- Le disque tourne dans le même sens que le champ tournant, mais à une vitesse ( ou
fréquence ) n’ légèrement inférieure à la vitesse synchrone n
Interprétations :
- Le champ magnétique tournant (crée par les 3 bobines) balaye le disque créant dans
celui-ci des courants induits ( courants de Foucault).
- Ces courants induits soumis au champ magnétique donnent naissance à un couple
moteur qui entraîne la rotation de disque.
- Le sens de rotation est tel qu’il tend à s’opposer à la variation du champ magnétique
( loi de Lenz ).
Conclusions :
- En moteur asynchrone triphasé, le champ tournant est obtenu par trois bobinage fixés
dans le stator, décalés géométriquement de 120° et parcourus par des courants alternatifs
présentant le même décalage électrique.
- Le disque est remplacé par un rotor dont les conducteurs seront le siège des courants
induits. Ceux –ci réagiront sur le champ tournant en donnant un couple moteur qui
entraîne la rotation.
B – 3 VITESSE ET GLISSEMENT :
- La fréquence de rotation de champ tournant ( vitesse synchrone ) est donnée par
l’expression suivante :
f
f : Fréquence du réseau triphasé en Hz
n=
n : Fréquence de rotation en tours/seconde
P
P : Nombre de paires de pôles crées par le
Stator.
- La vitesse angulaire :
Ω = 2.∏.n = 2.∏.
f
P
=
W
P
W : Pulsation en rd/s
Ω : Vitesse angulaire en rd/s
- Glissement :
Le rotor tourne un peu moins que le champ tournant; en notant n’ sa fréquence ( ou vitesse )
de rotation et Ω’ sa vitesse angulaire.
On appelle g glissement d’un moteur asynchrone le rapport de la fréquence ( ou vitesse ) de
glissement ng à la fréquence ( ou vitesse ) synchrone n .
g=
ng
n
=
n – n’
n
=
Ω - Ω’
Ω
B – 4 BILAN DES PUISSANCES, RENDEMENT ET COUPLE
Figure 17
Pa
Stator
Pjs
Rotor
Ptr
Pu
Pjr
Pfs
a) Bilan des puissances au stator :
♦ Puissance électrique absorbée par le stator :
Pc
Pa = U.I√3.cosϕ
♦ Pertes par effet Joule dans le stator : Pjs =(3/2).r.I2 ( quel que soit le couplage )
Pjs =3.R.I2
(cas du couplage étoile )
2
Pjs =R.I
(cas du couplage triangle )
R : résistance de l’enroulement statorique
r : résistance mesurée entre deux bornes.
♦ Pertes fer ( pertes par hystérésis et par courants de Foucault) : Pfs
♦ Puissance transmise au rotor :
Ptr =Pa – ( Pjs + Pfs ) = C . Ω
C : Couple électromagnétique
b) Bilan des puissances au rotor :
♦ Pertes par effet Joule dans le rotor :
Pjr =g . Ptr
♦ Pertes constantes : pertes mécaniques + pertes fer : Pc
♦ Puissance mécanique utile :
Pu =Ptr – ( Pjs + Pc ) = C . Ω ‘
c) Bilan total des puissances :
Pa =Pu + Pjs + Pjr + Pfs + Pc
d) Rendement du moteur asynchrone :
η=
Pu
=1-
∑ Pertes
Pa
e) Couple électromagnétique
C=
Ptr
Ω
Pa
=
Pmr
Ω‘
B – 5 CARACTERISTIQUES :
B – 5 – 1 Caractéristique I = f(n)
Figure 18
Interprétation :
• Cas de démarrage direct :
Surintensité au moment de démarrage. Le courant de démarrage ID est de 4,5 à 6 fois
plus grand que le courant nominal.
• Cas de démarrage étoile-triangle :
L’appel de courant au moment du démarrage est le tiers de l’appel au démarrage direct
en triangle. Le courant de démarrage ID est de 1,5 à 2 fois plus grand que le courant
nominal.
Le moteur fonctionne en étoile jusqu’au point (1), où s’effectue la commutation en
triangle provoquant la pointe de courant indiquée.
Remarque : En cas de démarrage automatique, le relais temporisé qui commande la
commutation est réglé de façon à n’agir qu’après le point (1).
B – 5 – 2 Caractéristique Tu = f(n)
Figure 19
Interprétation :
• Cas de démarrage direct :
Au moment de démarrage, le couple moteur est en moyenne 1,5 à 2 fois le couple
nominal.
• Cas de démarrage étoile-triangle :
Le couple étant proportionnel au carré de la tension appliquée. La tension étant U/√3,
le couple est sensiblement 3 fois plus faible qu’en démarrage direct.
TD = 0,2 à 0,5 .Tn
Le couple résistant est représenté par la ligne traitillé fin.
Remarque :
Il est nécessaire que la machine à actionner demande un faible couple pendant le
démarrage, ce qui est par exemple, valable pour les machines outils démarrant à vide.
Si le couple résistant de la machine à entraîner donne la courbe en trait point, le moteur
n’atteint que la moitié de sa vitesse, on devrait alors commuter sur triangle, ce qui
donnerait une pointe de courant considérable. Il faut donc s’assurer que le couple
résistant s’adapte aux particularités du démarrage étoile triangle.
B – 5 – 3 APPLICATION :
On donne les caractéristiques en charge d’un moteur asynchrone triphasé de puissance
nominale 3 Kw, tension nominale 380v , 50Hz.
Figure 20
Pour le point de fonctionnement nominal, déterminer graphiquement :
• Sa fréquence de rotation n
……………………………………………………………………………………………………………
• Son rendement η
…………………………………………………………………………………………………………….
• Son facteur de puissance cosϕ
…………………………………………………………………………………………………………….
• Le courant absorbé I
…………………………………………………………………………………………………………….
Calculer :
• La puissance absorbée P a
…………………………………………………………………………………………………………….
• Le glissement g
……………………………………………………………………………………………………………
• Le couple utile Tu
…………………………………………………………………………………………………………….
B – 6 DEMARRAGE UN ET DEUX SENS DE ROTATION
B – 6 – 1 Démarrage direct :
Le moteur est branché directement sur réseau. Ce type de démarrage est adapté aux moteurs de faible puissance ( moins de 3 Kw
en 220 v et de 5.5 Kw en 380 v )
Un seul sens de rotation
Circuit de puissance
Deux sens de rotation
Circuit de commande
L1 L2 L3
Q
L1 Q
Q : Sectionneur.
U
V
M
3∼
W
F1
Q
F2
F2
S2
1KM2
RT
1KM
U
V
M
M : Moteur
Asynchrone
L2
Q
KM
S1
KM2
KM1
S1
RT : Relais
thermique.
RT
L1
Circuit de commande
Q
F1
KM : Contacteur
de ligne.
KM
Circuit de puissance
L1 L2 L3
3∼
S2
1KM1
S3
W
L2
KM1 : Contacteur sens avant
KM2 : Contacteur sens arrière
Q
KM1
KM2
B – 6 – 2 Démarrage étoile-triangle:
Ce procédé ne peut s’appliquer qu’aux moteurs dont toutes les extrémités d’enroulement sont sorties sur la plaque à bornes, et
dont le couplage triangle correspond à la tension du reseau.
Un seul sens de rotation
Circuit de commande
Circuit de puissance
L1 L2 L3
Q
èr
- 1 temps : Mise sous tension et
couplage étoile des enroulements.
Le moteur démarre à tension
réduite U√3.
KM1
ème
- 2 temps : Suppression du
couplage étoile et mise en
couplage triangle. Le moteur est
alimenté en pleine tension U.
Q
L1
Le démarrage s’effectue en deux temps :
F1
Q : Sectionneur.
KM1 : Contacteur de ligne.
F2
KM3 : Contacteur de
couplage étoile.
S1
KM4 : Contacteur de couplage
triangle.
S2
RT : Relais thermique.
RT
1KM1
: Verrouillage
mécanique.
1KM3
2KM1
1KM4
U V
W
Z
Y
X
KM4
2KM3
KM3
L2
Q
KM1
KM3
KM4
Deux sens de rotation
Circuit de puissance
Circuit de commande
L1 L2 L3
L1
Q
Q
F1
F2
S1
KM2
KM1
S2
RT
1KM2
S3
1KM1
2KM5
1KM5
W
Z
Y
X
1KM3
2KM3
2KM2
U V
3KM2
3KM1
2KM1
KM4
KM3
L2 Q
KM1
KM2
KM5 : Relais auxiliaire
KM3
KM4
KM5
B – 7 EXERCICES :
- Un moteur asynchrone triphasé 220 v, 50 Hz , absorbe un courant I = 20 A sous un facteur de puissance de 0,82 et tourne à la
fréquence de 1430 tr/mn. On néglige les pertes du stator ; calculer :
a – Le nombre de paires pôles p.
………………………………………………………………………………………………………………………………………….………………….
b – Le glissement g.
………………………………………………………………………………………………………………………………………….…………………
c – Le rendement η.
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
- Un moteur asynchrone triphasé porte les indications suivantes : 220v/380v , 50Hz , 720 tr/mn. Le moteur est alimenté par un
réseau de 220v ( 3 fils ). Déterminer :
A – Le couplage à réaliser, Justifier.
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
b – Le nombre de paires de pôles du stator p.
………………………………………………………………………………………………………………………………………….…………………
c – Le glissement g.
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………