Leçon B3 : Les moteurs asynchrones triphasés I. Mise en situation : Voir livre de cours page 243. II. Présentation : 1. Constitutions : Le moteur asynchrone se compose d’un stator (fixe) comportant des enroulements ou bobinages reliés au réseau et un rotor (mobile) qui peut être en court- circuit ou bobiné. 1.1- Le stator (ou inducteur): Il est composé de ............. alimentées par des tensions triphasées de fréquence f. Chaque bobine est divisée en ...tranches reparties sur tout le stator et appelés ................... Ces trois bobines créent ............................. à la vitesse de synchronisme .............. avec : = 2f (rd/s), p = nombres de paires de pôles par phase. s = vitesse angulaire de synchronisme ( rd/s) La vitesse de rotation synchrone ns (tr/mn) du champ magnétique tournant est : .............. Pour f=50Hz, les vitesses de synchronismes sont données ci-dessous : Moteur à 2 pôles 4 pôles 6 pôles 8 pôles Nombre de paire de pôles 1 paire de pôle 2 paires de pôles 3 paires de pôles 4 paires de pôles Vitesse en (tr/s) 50 …………. ……….. ………. Vitesse en tr/mn 3000 ………….. ………….. ………….. 1.2- Le rotor (ou induit) C’est la partie mobile (tournante), il est constitué d’un empilage de tôles minces en fer découpé pour créer des encoches. Il peut être soit bobiné, soit à cage d’écureuil (en court-circuit). ELECTROTECHNIQUE Dans ce cour, on se limite à l’étude du moteur à rotor à cage d’écureuil Dans des encoches prévues dans les tôles prés de la surface extérieure du cylindre, sont logés des barres conductrices (en cuivre ou en aluminium) qui sont mises en court – circuit à chaque extrémité par une couronne métallique .L’ensemble a l’aspect d’une cage d’écureuil Il n’y a aucun contact électrique entre le rotor et l’extérieur. 2. Glissement : Le rotor tourne à une vitesse "Ω" plus petite que la vitesse de synchronisme "ΩS". On dit que le rotor "glisse" par rapport au champ tournant. Ce glissement "g" va dépendre de la charge : g = ΩS - Ω n -n = S ΩS nS ; ΩS = 2nS (rad/s) et Ω = 2n (rad/s) * nS : vitesse de rotation de synchronisme du champ tournant (en tr/s) * n : vitesse de rotation du rotor (en tr/s) Cas particulier : * Lorsque le moteur fonctionne à vide (pas de charge) : nV nS gvide = * Au démarrage : n = 0 gd = nS - nd n -0 = S =1 nS nS p 2 Application : Compléter le tableau suivant pour f = 50Hz. 6 1 nS - nv nv - nv = =0 nS nS ns (tr/mn) nr (tr/mn) g % 1410 750 3 1000 975 490 4 3. Principe de fonctionnement: Voir Manuel de cours page 247 4. Couplage d’un moteur asynchrone sur le réseau : La plaque signalétique du moteur indique la tension que peut supporter chaque bobine. Le problème consiste à adapter le bobinage du moteur à la nature du réseau 4.1- Couplage des enroulements du stator: Les trois enroulements du moteur sont prévus pour être couplés soit …………….(Y) soit .........................(). La plaque à bornes a toujours les entrées des enroulements repérées U, V, W et les sorties correspondantes X, Y, Z (Ou respectivement U1, V1, W1 et U2, V2, W2) V W Z X Y Entrées Sorties Le couplage est réalisé sur la plaque à bornes par des barrettes conductrices 2 U ELECTROTECHNIQUE Exemple : Moteur 220/380v (chaque enroulement peut supporter une tension de 220V) : Réseau 127/220v 50Hz: Couplage ( ) Réseau 220/380v 50Hz : Couplage () Activité: Indication de la plaque signalétique 127V/220V Réseau d’alimentation 220V/380V Couplages possibles 127/220V ……….. …………… ………….. 220/380V ………… ………….. ………….. 380/660V ………… ……………. …………… 4.2- Inversion du sens du rotation, symbole et modélisation : Voir Manuel de cours page 252. 4.3- Plaque signalétique : 3 380V/660V ELECTROTECHNIQUE III. BILAN DES PUISSANCES, RENDEMENT ET COUPLE : 1. Puissance et bilan énergétique : 1.1- Puissance absorbée : c’est la puissance électrique absorbée par les 3 enroulements du stator : qui représentent un système triphasé équilibré. Pa = …………………………… 1.2- Puissance transmise au rotor : Le stator transmet au rotor une puissance électromagnétique appelée Puissance transmise notée : Ptr C’est la puissance absorbée diminuée des pertes du stator : Ptr = ……………………………. 1.3- Puissance mécanique : c’est la puissance mécanique totale fournit par le rotor. P’ = ……………………………. 1.4- Puissance utile : elle est dévéloppée au bout de l’arbre du moteur sous forme mécanique . Pu = ………………………………….=………………………….. 1.5- Couple électromagnétique : Le stator exerce sur le rotor un couple électromagnétique Tem développé grâce au champ tournant qui tourne à la vitesse angulaire de synchronisme (S) appliquant ainsi un ensemble de forces sur les conducteurs du rotor qui le font tourner. ainsi le couple électromagnétique Tem transmet au rotor une puissance électrique (Ptr). Tem = ………… Ce couple est aussi du rotor (égalité de l’action et de la réaction ) mais ce dernier tourne à la vitesse Ωr et la puissance restante ( sous forme mécanique P’ ) d’où Tem = …………. . . La transmission de la puissance du stator au rotor se fait avec une perte de vitesse (et de puissance) , mais sans diminution du couple . 1.6- Couple utile : il est disponible sur l’arbre du moteur et sert à entrainer la charge accouplée Tu = …………….. 1.7- Couple des pertes : il représente le couple résistant produit par le frottement des paliers, des roulements et de la ventilation : Tp = ………………………………………………………. 4 ELECTROTECHNIQUE 1.8- Pertes : 1er Pertes par effet joule dans le stator : cas : si R est la résistance de l’enroulement d’une phase du stator. - Couplage étoile Y : pjs = …………. 2éme - Couplage triangle Δ : pjs = …………. cas : si r est la résistance mesurée entre deux bornes du stator, on aura quelque soit le couplage. Pjs = …………. r R = …… r r r r R = ……. r Pertes par effet joule dans le rotor : La différence entre Ptr et P’ est perdu par effet joule dans le rotor à cause du glissement. pjr = ……………..= …………………………=……………………… or Tem = …………….. D’où : pjr = ………….. Pertes dans le fer du rotor : pfr : elles sont négligeables car fr est faible pfr ≈ 0 Les pertes constantes (pc): pertes fer au stator «pfs» + pertes mécaniques «pm» Les pertes fer du stator pfs et les pertes mécaniques pm sont pratiquement indépendantes de la Charge. Elles sont déterminées généralement par un essai à vide. A vide, Pu = ....... et g = ......... Pjr0 =.......... Pu = …………………………………. Pa0 =…………………………….d’où pfs + pm = ………… Cette puissance est transmise au rotor par le couple électromagnétique Tem développé grâce au champ tournant, on a : Ptr = ………………. 1.9- Rendement C’est le rapport de la puissance utile par la puissance absorbée : η =………… IV. Fonctionnement en charge : Prenons l’exemple du "concasseur". Le moteur entraîne le broyeur par l’intermédiaire d’une courroie. Le moteur tourne à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme : Broyeur n < nS g > 0 . La puissance utile est fonction de la charge entraînée (broyeur). A1 Ph1 W1 Moteur Ph2 Ph3 V1 Circuit de commande 5 M 3~ charge ELECTROTECHNIQUE Si la charge présente un couple résistant ( Tr ), la puissance mécanique utile ( PU ) est alors PU = Tr .Ω : Lorsqu’on modifie la charge, le couple utile et la vitesse de rotation du rotor …………… simultanément. La fonction qui lie ces deux grandeurs physiques est donnée par la courbe suivante appelée caractéristique mécanique. T(m.N) On constate que le couple de démarrage du moteur ………………………. le moteur peut …………………… …………………… …… Td 2Tn ………………………………………… Tn ………………… … n0 0 n(tr/s) Le facteur de puissance en charge est élevé. Le stator appelle un courant actif important et le moteur absorbe davantage de puissance active : P 3.U.I.cos Les pertes joules dans le stator augmentent puisque le courant statorique est important. Les pertes mécaniques Pm et les pertes fer au stator Pfs et au rotor Pfr appelé encore ………………………………… restent les mêmes qu’à vide. 1. Point de fonctionnement : Pour que le moteur puisse fonctionner normalement, le point de fonctionnement stable doit se situer sur la partie linéaire de la caractéristique mécanique. Le point de fonctionnement correspond à l’intersection de cette partie linéaire TU(n) avec la caractéristique de la charge Tr(n). T(m.N) ………………………… Td …………………… 2Tn …… Tn 0 …… n(tr/s) V. Commande et Protection : Le moteur asynchrone est branché au réseau par l’intermédiaire d’un certain nombre de dispositifs de sécurité et de commande : - le sectionneur d’isolement avec (ou sans) fusibles permet de déconnecter le moteur du réseau pour des opérations de maintenance par exemple. Il protège également le dispositif en aval contre les risques de court-circuit grâce aux fusibles. - le contacteur permet d’alimenter le moteur avec une commande manuelle ou automatique avec un automate programmable. - Le relais thermique protège le moteur contre les surcharges de courant. (Voir manuel de cours page 258) 6 ELECTROTECHNIQUE 7 ELECTROTECHNIQUE VI. DEMARRAGE UN ET DEUX SENS DE ROTATION 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). Deux sens de rotation Un seul sens de rotation Circuit de puissance Circuit de commande Circuit de puissance L1 L2 L 3 Circuit de commande Q L1 Q Q L1 L1 L2 L3 F1 Q F1 KM1 RT V U W Circuit de puissance : Q : Sectionneur tripolaire KM1 : Contacteur F2 Tripolaire de ligne. RT : Relais Thermique à Bilame M : Moteur Asynchrone 3 S1 Circuit de Commande : F1 : Fusible 1KM1 : contact d’auto- alimentation ou de maintien S1: BP arrêt. S2 S2: BP marche. F2: Contact auxiliaire du relais thermique Q : Contact sur sectionneur S1 N Q KM2 KM1 : Verrouillage mécanique RT 1KM1 U KM1 M 3 F2 V M 3 S1: BP arrêt . S2 S2: BP marche AV S3: BP marche AR 1KM2 et 1KM1: contact d’auto W alimentation 2KM2 et 2KM1: Verrouillages électriques N KM1 : Contacteur sens avant KM2 : Contacteur sens arrière Avantage : simplicité de l’appareillage, couple important, temps de démarrage minimal pour un moteur à cage Inconvénient : Appel de courant de démarrage très important et démarrage brutal 8 Q 1KM2 1KM1 S3 2KM2 KM1 2KM1 KM2 ELECTROTECHNIQUE Démarrage direct (un seul sens de rotation) Fonctionnement : Après avoir fermé le sectionneur manuellement. L’action sur S2 enclenche KM qui s’autoalimenté. L’arrêt est provoqué par S1 ou le déclenchement de F2. Démarrage direct (deux sens de rotation) Fonctionnement : L’inversion du sens de marche est obtenue en croisant deux des conducteurs de phases d’alimentation, le troisième reste inchangé. On inverse ainsi le sens du champ tournant, et par conséquent le sens de rotation. Un verrouillage mécanique est nécessaire pour éviter le court circuit entre les deux phases dans le cas où les contacteurs KM1 et KM2 seront fermés ensemble. Pour le circuit de commande, un verrouillage électrique par les contacts 2KM1 et 2KM2 permet de compléter le verrouillage mécanique dans le cas où ce dernier sera défaillant. 2 contacts auxiliaires installés dans le circuit de commande, ils permettent d’interrompre en premier l’alimentation des organes de commande, ce qui permet aux contacts de puissances du sectionneur d’ouvrir le circuit à vide. De même à la mise sous tension, le circuit de commande n'est fermé qu'après la fermeture des contacts principaux. L1 L2 L3 Fusible Levier ou perche 2 Contacts auxiliaires Contacteur tripolaire Contacts principaux Relais de protection Sectionneur tripolaire à fusible Ce type de sectionneur comporte des contacts principaux (protégés par fusible) et des contacts auxiliaires. * Fonction : Le sectionneur est utilisé pour isoler le moteur du réseau afin de pouvoir intervenir sans danger pour assurer l’entretien, la maintenance et les réparations nécessaires. * Rôle : Ce sont des appareils destinés à ouvrir ou à *Fonction : protection moteur à vide. fermer un circuit du électrique *Rôle : le fusible est utilisé pour la protection contre les courts circuits (surintensité brusque). KM Bobine de L’électroContacts principaux aimant Contacts auxiliaires * Fonction : commande du moteur. * Rôle :Un contacteur est un appareil de commande destiné à fermer et à ouvrir un ou plusieurs circuits électriques en charge dont la commande peut être obtenu à distance .Ces contacts sont commandés par un électro-aimant. 9 Relais ………………... triphasé Relais ………………... triphasé Relais ………………...triphasé *Fonction : protection du moteur *Rôle : Ce type de relais est employé pour la protection contre les surcharges lentes (surintensité progressive) exp : coupure d’une phase *Fonction : protection du moteur *Rôle : Ce type de relais est utilisé pour la protection contre les courts circuits (surcharge rapide càd surintensité brusque) *Fonction : protection du moteur *Rôle: Ce type de relais est utilisé pour la protection contre les courts circuits et les surcharges lentes ELECTROTECHNIQUE 2. Démarrage étoile – triangle : Ce démarrage étoile triangle convient au machines démarrant à vide ( exemple : machines outils , raboteuse ) ou à couple résistant faible ou lorsque le couple résistant de la charge à entrainer augmente après l’accélération du moteur telque : les pompes , les ventillateurs, … Ce procédé ne peut s’appliquer qu’aux moteurs dont toutes les extrémités d’enroulements sont sorties sur la plaque à bornes et dont le couplage triangle correspond à la tension du réseau (la tension composé du secteur correspond à la tension nominale de chaque enroulement) Fonctionnement : (un seul sens de rotation) Fermeture manuelle de Q Impulsion sur S2 fermeture de KM2 (couplage étoile) Fermeture de 2KM2 alimentation de KM1 (alimentation du moteur) Auto-alimentation de KM1 par 1KM1 Ouverture de KM2 par 2KM1 temporisé ( 3 à 5s) (élimination du couplage) Fermeture de KM3 par 1KM2 (couplage triangle) Arrêt par impulsion su S1 10 ELECTROTECHNIQUE Circuit de puissance L1 L2 Un seul sens de rotation L3 Le démarrage s’effectue en deux temps : 1ér temps : Mise sous tension et couplage étoile des enroulements. Le moteur démarre à tension réduite U / 3 . le courant appelé est réduit à 1/3 Id = Idd / 3 et le couple est réduit à 1/3 du couple démarrage direct Td = Tdd / 3 KM1 2éme temps : suppression du couplage étoile et mise en couplage triangle . le moteur est alimenté en pleine tension U V W M 3 F1 Circuit de puissance : Q : Sectionneur tripolaire à fusible. KM1 : Contacteur de ligne. (Relais à action retardé) KM2 : Contacteur de couplage étoile KM3 : Contacteur de couplage triangle F2 S1 RT : Relais Thermique à bilame M : Moteur Asynchrone 3 : Verrouillage mécanique entre KM3 et KM2 S2 1KM1 2KM2 Circuit de Commande : S1 : Bouton poussoir arrêt S2 : Bouton poussoir marche 2KM1 : contact temporise fixant la durée du couplage étoile 1KM3 et 1KM2 : verrouillage électrique RT Z Q L1 Q U Circuit de commande KM2 KM3 (Δ) (Y) 2KM1 1KM2 1KM3 Y X Q KM2 KM3 L2 Avantage : Appel de courant en étoile réduit au tiers de sa valeur en direct, Faible complication d’appareillage Inconvénient : Couple réduit au tiers de sa valeur en direct, Coupure entre les positions étoile et triangle d’où apparition de phénomènes transitoires 11 KM1 ELECTROTECHNIQUE VII. Activités d’évaluation: Activité 1: Un moteur asynchrone tétra polaire à cage d’écureuil est alimenté par un secteur triphasé 220/380 V. Chaque enroulement stator est conçu pour être soumis à une tension de 380 V en fonctionnement normal. On a effectué les essais suivants : - Résistance mesurée entre deux phases du stator : 1.5 Ω - Essai à vide effectué sous tension nominale : P0= 210 W, I0= 1.5 A - Essai en charge nominale : U = 380 V, I = 4.7 A, P = 2500 W, n = 1410 tr /mn 1. Comment le moteur est-il couplé sur le secteur utilisé ? 2. Quelle est la vitesse de synchronisme 3. Le moteur fonctionne à vide, calculer : a) le facteur de puissance b) les pertes magnétiques stator et les pertes mécaniques en supposant qu’elles sont égales. 4. Le moteur fonctionne en charge, calculé : a) le glissement et la fréquence des courants rotoriques b) l es pertes joule stator c) les pertes joule rotor d) la puissance utile et le couple utile e) le rendement du moteur 5. En démarrage direct sur le secteur, le moteur absorbe Id= 15 A et le couple au démarrage est de 24 Nm on démarre le moteur précédent en étoile sur le secteur utilisé ci-dessus. Quelle est alors la tension appliquée à un enroulement du stator, En déduire la nouvelle valeur du couple au démarrage ? Activité 2 : La caractéristique mécanique d'un moteur asynchrone est donnée ci-dessous 1- Ce moteur entraîne un compresseur dont le couple résistant est constant et égal à 4 Nm. 1-1- Le démarrage en charge du moteur est-il possible ? 1-2- Dans la zone utile, vérifier que Tu = - 0,12n + 120 1-3- Déterminer la vitesse de rotation de l'ensemble en régime établi. 1-4- Calculer la puissance transmise au compresseur par le moteur. 2- Ce moteur est maintenant utilisé pour entraîner une pompe dont le couple résistant est Donné en fonction de la vitesse de rotation par la relation suivante : Tr = 10-5 n² avec Tr en Nm et n en tr/min. 12 ELECTROTECHNIQUE 2-1- Représenter sur le graphique précédent la courbe Tr (n). 2-2- En régime établi, déterminer la vitesse de rotation de l'ensemble ainsi que le couple utile du moteur. 13
