[Tapez un u texte] République Algérienne Démocratique et Populaire Mi ni n st è re de e l'E n se i g ne me n t Su S p é ri e u r e t d e l a R ec he rc h e S c i e n tii f i q u e __________________________________________ Université Dr. Tahar Moulay de Saïda F acultté de T ecchnologie D é partem e n t d ’ E le ct c r o t e c hn n ique P Projet d Fin de Cycle de E vue de l’’obtention du diplômee de En Liccence (L LMD) S Spécialité : ELECTRO OTECHNIQ QUE TECHNIQU UE Filière : ELECTROT Intitulé : Caractéristiques s et disp positifs de démarrrage des s moteurs asynch hrones tr riphasés s P Présenté par : BAOUCH HE Abdellmoumen ne SB BAA Ousssama M MOHAMM MEDI Abd derrahma ane D Devant le ju ury : Examinateu E ur : Mr. YO OUCEF Abd delaziz Tu uteur : Mr. BENYAHIA Mokhtar Souteenu le : Promotion : /11/2020 / 20 019-2020 Remerciements Au terme de ce travail, nous remerciement tout d’abord ALLAH qui nous a donné la force et le courage pour terminer nos études et élaborer ce modeste travail. Nous tenons à remercier toutes les personnes sans les quelles ces années d’étude n’auraient été que le pâle reflet de celles que nous avons passées. Nos sincères remerciements à notre encadreur M.BENYAHIA Mokhtar qui a bien accepté de nous encadrer et de nous avoir encouragés le long de notre travail, aussi pour toute la documentation qu’il a mis à notre disposition. Nous adressons aussi noss remerciements aux membres de jury pour avoir accepté d’examiner et juger ce travail. Table des matières Introduction générale ......................................................................................................... 2 Chapitre 1 : Généralités sur le démarrage des machines à C.A triphasées 1.1 Introduction ............................................................................................................................. 4 1.2 Description de la machine synchrone....................................................................................... 4 1.2.1 Constitution ...................................................................................................................... 4 1.2.1.1 Stator (inducteur) ....................................................................................................... 6 1.2.1.2 Rotor (induit) ............................................................................................................. 6 1.2.2 Fonctionnement en moteur................................................................................................ 7 1.2.3 Problème de démarrage ..................................................................................................... 7 1.3 Description de la machine Asynchrone ..................................................................................... 8 1.3.1 Constitution ....................................................................................................................... 8 1.3.1.1 Stator ........................................................................................................................... 8 1.3.1.2 Rotor............................................................................................................................ 9 1.3.1.3 Entrefer........................................................................................................................ 9 1.4 Principe de fonctionnement des machines asynchrone ............................................................. 11 1.4.1 Glissement, couple et vitesse de rotation .......................................................................... 12 1.4.2 Puissance et rendement d’un moteur asynchrone triphasé ................................................ 13 1.4.2.1 La puissance ................................................................................................................ 13 1.4.2.2 Le rendement............................................................................................................... 14 1.4.2.3 Bilan des puissances.................................................................................................... 15 1.5 Couplage des moteurs asynchrones triphasés ........................................................................... 15 1.6 Caractéristiques du moteur asynchrone..................................................................................... 17 i Table des matières 1.6.1 Caractéristiques en charge................................................................................................. 17 1.6.2 Principe de démarrage des moteurs asynchrones .............................................................. 18 1.6.2.1 Le choix d’un démarreur ............................................................................................. 21 1.6.2.2 Les différents types des systèmes de démarrage ......................................................... 22 1.7 Conclusion................................................................................................................................. 22 Chapitre 2 : Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones 2.1. Introduction ............................................................................................................................. 25 2.2. Constitution des installations .................................................................................................. 25 2.2.1. Circuit de commande ....................................................................................................... 25 2.2.2. Circuit de puissance ........................................................................................................ 26 2.3. Les appareils de commande, de signalisation et de protection ................................................. 26 2.3.1 Sectionneur........................................................................................................................ 26 2.3.2. Fusible ............................................................................................................................. 27 2.3.3. Interrupteur sectionneur .................................................................................................. 27 2.3.4. Relais thermique .............................................................................................................. 28 2.3.5. Disjoncteur ...................................................................................................................... 28 2.3.6. Le contacteur .................................................................................................................. 29 2.3.7. Capteur de fin de course .................................................................................................. 29 2.3.8. Bloc auxiliaire temporisé ................................................................................................ 29 2.3.9. Bloc de contacts auxiliaires ............................................................................................. 30 2.4. Les problèmes de démarrage des moteurs asynchrone triphasés ............................................. 31 2.4.1. Problématique de démarrage ............................................................................................ 32 2.4.2. Solution générale au problème de démarrage ................................................................. 32 ii Table des matières 2.5. Les types de démarrage ........................................................................................................... 34 2.5.1. Démarrage classique ........................................................................................................ 34 2.5.1.1. Démarrage direct pour un moteur asynchrone de faible puissance ........................... 34 2.5.1.2. Démarrage direct semi-automatique à deux sens de marche ..................................... 37 2.5.2. Action sur la tension d’alimentation au stator .................................................................. 38 2.5.2.1. Démarrage Étoile-Triangle......................................................................................... 39 2.5.2.2. Démarrage par résistances statoriques ...................................................................... 44 2.5.2.3. Démarrage par autotransformateur ........................................................................... 48 2.5.3. Démarrage à tension nominale (démarrage rotorique) ..................................................... 50 2.5.3.1. Démarrage par action sur les résistances rotoriques ................................................. 50 2.5.4. Démarrage électronique .................................................................................................. 54 2.5.4.1. Démarrage par gradateur (démarrage progressif) ...................................................... 54 2.5.4.2. Démarrage par variateur de vitesse (Convertisseur de fréquence) pour MAS ........... 56 2.5.5. Comparaison des divers procèdes de démarrage.............................................................. 58 2.6 Conclusion .......................................................................................................................... 59 Conclusion Générale ................................................................................. 61 Références Bibliographiques .......................................................................................... 63 iii Liste des figures Liste des figures Figure (1.1) Eléments constitutifs de la machine synchrone 5 Figure (1.2) Rotor à pôles lisses d’une machine synchrone. 6 Figure (1.3) Rotor à pôles saillants d’une machine synchrone. 6 Figure (1.4) Vue éclatée d’un moteur Asynchrone à cage. 8 Figure (1.5) Rotor à cage d’écureuil d’un moteur Asynchrone. 10 Figure (1.6) Rotor bobiné d’un moteur Asynchrone. 10 Figure (1.7) Création d’un champ magnétique tournant par trois enroulements. 11 Figure (1.8) Caractéristique de couple en fonction de la vitesse. 13 Figure (1.9) Plaque signalétique d’une machine asynchrone. 13 Figure (1.10) Le bilan des puissances d’un moteur asynchrone. 14 Figure (1.11) Les deux couplages du moteur au réseau électrique Étoile ou Triangle. 15 Figure (1.12) Vue en coupe des bobines statoriques. 16 Figure (1.13) Le branchement des trois bobines à la plaque à bornes. 16 Figure (1.14) Caractéristique mécanique n=f(C) et point de fonctionnement d’un MAS. 17 Figure (1.15) Les courbes des différentes grandeurs du moteur asynchrone. 18 Figure (1.16) Caractéristique mécanique d’un moteur asynchrone. 20 Figure (1.17) Courbe des Couples moteur et résistant en fonction de la vitesse. 21 Figure (2.1) Sectionneur porte fusible 27 Figure (2.2) Fusible cylindrique et à couteaux 27 Figure(2.3) Interrepteur sectionneur. 28 Figure(2.4) Relais thermique. 28 a Liste des figures Figure(2.5) Disjoncteur. 28 Figure(2.6) Contacteur. 29 Figure(2.7) Capteur fin de course. 29 Figure(2.8) Bloc auxiliaire temporisé. 30 Figure(2.9) Bloc de contacts auxiliaires. 30 Figure(2.10) autres modèles d’association de contacts. 30 Figure(2.11) Différents couples de démarrage d’un MAS. 32 Figure(2.12) L’organisation fonctionelle d’un circuit de démarrage d’un moteur 33 Figure(2.13) Schéma fonctionnel de démarrage direct d’un moteur asynchrone 34 Figure(2.14) Schéma de puissance et de commande de démarrage direct. 35 Figure(2.15) Exemple de schéma de démarrage direct avec signalisation 35 Figure(2.16) Courbes caractéristiques de démarrage direct (Couple de moteur+ 36 Figure(2.17) Démarrage direct semi-automatique à deux sens de marche 37 Figure(2.18) Courbe couple-vitesse pour valeurs différentes de la tension statorique 38 Figure(2.19) Schéma de couplage des enroulements statoriques : Étoile- Triangle 39 Figure(2.20) caractéristiques du couple et du courant pour démarrage Étoile – Triangle. 40 Figure(2.21) Schéma fonctionnel de démarrage étoile-triangle d’un moteur MAS 41 Figure(2.22) Schémas de puissance et de commande du démarrage étoile-triangle. 41 Figure(2.23) Courbes caractéristiques du démarrage étoile triangle. 42 Figure(2.24) Circuits de puissance et de commande de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche 43 Figure(2.25) Schéma fonctionnel de démarrage par résistances statoriques d’un MAS 45 Figure(2.26) Circuits de puissance et de commande du démarrage par résistances statoriques. 45 b Liste des figures Figure(2.27) Courbes caractéristiques de démarrage par résistances statoriques. 46 Figure(2.28) Circuit de puissance de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche 47 Figure(2.29) Circuit de commande de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche 48 Figure(2.30) Schéma fonctionnel de démarrage par autotransformateur d’un MAS. 49 Figure(2.31) Schéma de puissance du démarrage par autotransformateur. 49 Figure (2.32) Le couple en fonction de vitesse de rotation avec variation de Rd 51 Figure (2.33) Le courant en fonction de vitesse de rotation avec variation de Rd 51 Figure (2.34) Schéma fonctionnel et étapes d’élimination des résistances rotoriques 52 Figure (2.35) Schémas de puissance et de commande du démarrage par résistances rotoriques. 52 Figure (2.36) Courbes caractéristiques de démarrage semi-automatique par résistances rotoriques. 53 Figure (2.37) gradateur triphasé alimentant un MAS avec chronogrammes des tensions 54 Figure (2.38) Schéma fonctionnel d’un Démarreur progressif d’un moteur asynchrone triphasé 55 Figure (2.39) Schéma de principe d’un convertisseur de fréquence 56 c 1 Introduction générale INTRODUCTION GENERALE Les machines asynchrones, de par leur robustesse et leur rapport poids/puissance, sont largement utilisées dans l’industrie. Assurer leur continuité de fonctionnement nécessite la mise en place des systèmes de démarrage, de protection et des programmes de maintenance préventive et corrective bien définis. Lors de la mise sous tension d’un moteur asynchrone triphasé, l’appel de courant sur le réseau est important (6 à 8 In), surtout si la section de la ligne d’alimentation est insuffisante, ce qui provoque une chute de tension susceptible d’affecter le fonctionnement des récepteurs. Parfois, cette chute de tension est telle qu’elle est perceptible sur les appareils d’éclairage. Pour remédier à ces inconvénients divers procédés de démarrage sont susceptibles d’offrir des solutions. Le choix de ces solutions sera dicté par des impératifs électriques, mécaniques et économiques. Malheureusement, ces machines sont soumises à plusieurs contraintes de natures différentes (électriques, mécaniques, thermiques, magnétiques et environnementales). Le cumul de ces contraintes cause des défauts dans les déférentes parties du moteur, ce qui engendre par conséquence des arrêts non programmés conduisant à des pertes de production et à des réparations couteuses. La maintenance classique des machines électriques ne peut pas éviter l’apparition de ces défauts et leurs conséquences sur ces dernières, mais elle reste les plus utilisé dans l’industrie jusqu'à maintenant. Le présent travail est rédigé en deux parties : Le premier chapitre est consacré à la présentation générale des machines à courants alternatif triphasées ; asynchrones et synchrones. Nous présentons dans cette partie, le principe de fonctionnement et les différents éléments constructifs, ainsi que le phénomène de démarrage des moteurs asynchrone et les problèmes qui en résultent. Dans le deuxième chapitre, nous exposons les déférents types de démarrages des moteurs asynchrones triphasés. Nous avons également donné les schémas de câblage des circuits de puissance et de commande de chaque procédé et l’appareillage qui contient en concluant ses avantages et ses inconvénients et les conditions d’application. Finalement, on clôture ce mémoire par une conclusion générale faisant ressortir l’intérêt de ce travail ainsi que les perspectives et les recommandations relatives à ce travail. 2 Généralités sur le démarrage des machines à C.A triphasées 3 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées 1.1 Introduction Les moteurs à courant alternatif aussi bien haute que basse tension offrent une grande variété de caractéristiques électriques, dynamiques ou technologiques. Néanmoins, mis à part un petit nombre de moteurs spécifiques à des applications particulières, on peut les classer en : - Moteurs asynchrones (à cage, et à rotor bobiné), - moteurs synchrones Les moteurs asynchrones sont des moteurs électriques à courant alternatif, industriels par excellence. Ils ont, pour leur grande majorité, un rotor à cage. Les progrès accomplis ces dernières années dans l'alimentation et la commande des machines n'ont fait que réduire la part des moteurs asynchrone à rotor bobiné par rapport à leurs homologues à cage d'écureuil. Le moteur synchrone, comme son nom l’indique, tourne en synchronisme avec le champ tournant, comparativement au moteur asynchrone qui, lui, tourne à une vitesse légèrement inférieure au champ tournant. La vitesse du moteur est rigoureusement constante en fonction de la charge. Le terme de machine synchrone regroupe toutes les machines dont la vitesse de rotation de l’arbre de sortie est égale à la vitesse de rotation du champ tournant. Pour obtenir un tel fonctionnement, le champ magnétique rotorique est généré par un circuit d’excitation. La position du champ magnétique rotorique est alors fixe par rapport au rotor, ce qui impose en fonctionnement normal une vitesse de rotation identique entre le rotor et le champ tournant statorique 1.2 Description de la machine synchrone 1.2.1 Constitution a- Stator = induit C’est la partie fixe de la machine. Il est formé par un empilage de disques de tôles ferromagnétique isolées entre elles pour minimiser les pertes par courants de FOUCAULT. L’intérieur du stator est encoché et porte généralement un enroulement triphasé de l’induit ou exceptionnellement monophasé à ′2𝑝′ pôles. Alimenté par une source électrique triphasée, l’enroulement du stator crée un champ tournant à une vitesse angulaire ′Ω′ égale au rapport de la pulsation d’alimentation ′𝜔′ et le nombre de paire de pole (p). 4 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées 𝛺 (1.1) Les deux parties essentielles de la machine sont séparées par un entrefer. Figure (1.1): Éléments constitutifs de la machine synchrone b- Rotor = inducteur C’est la partie tournante de la machine (appelé aussi roue polaire) ayant pour rôle de générer le champ d’induction (inducteur). Il doit porter le même nombre de paire de pôle que le stator. Le rotor est composé d'un empilement de disques ferromagnétiques. À l’extérieur du rotor, on trouve des enroulements qui doit être alimentés par une source de tension continue dans le cas de machines de moyenne et grande puissance ou des aimants permanents dans le cas de machines de faible puissance pour créer le champ inducteur. On distingue donc trois grandes familles de machines synchrones : Les rotors bobinés à pôles lisses, les rotors bobinés à pôles saillants ainsi que les rotors à aimants permanents. Dans le cas de machines à rotor bobiné à pôles lisses, le rotor est un cylindre plein (entrefer constant). Il possède le plus souvent deux pôles pour s’adapter aux grandes vitesses. Les enroulements sont logés dans des encoches pratiquées sur le rotor. L'alimentation en courant continu s'effectue via l'ensemble bagues-balais aux bagues de bout d'arbre. 5 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Figure (1.2): Rotor à pôles lisses d’une machine synchrone Le rotor bobiné à pôles saillants est presque de même constitution que le rotor bobiné à pôles lisses dont les bobines sont enroulées sur les pôles laissant un vide entre un pôle et l’autre qui le succède (entrefer variable). Vue l’inertie importante de ce type de rotor, la machine à rotor bobiné à pôles saillants est souvent utilisée à basse vitesse ou à basse puissance. Figure (1.3): Rotor à pôles saillants d’une machine synchrone Les machines à aimants permanents, comme leur nom l’indique le rotor est constitué en partie d’un aimant naturel. Les aimants permanents sont disposés directement sur la périphérie du rotor, il n’est donc pas nécessaire de posséder une autre source d’énergie électrique pour créer un champ constant dans le rotor au contraire du rotor bobiné. Récemment vu de meilleures technologies développées, ce type de machines est devenu accessible à une large gamme d’applications. 1.2.2 Fonctionnement en moteur Le rotor alimenté en courant continu, par un système de contact glissants (bagues), crée un champ magnétique rotorique qui suit le champs tournant avec un retard angulaire téta est lié a la 6 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées charge (plus la charge est importante, plus téta est grand) Etant donné que le rotor tourne à la même vitesse que le champ tournant, ce moteur ne peut pas être démarré directement sur réseau (50 Hz). On peut utiliser un convertisseur de fréquence dont la fréquence augmente progressivement lors de la phase de démarrage (rampe). On peut aussi démarrer ce moteur en (asynchrone), en utilisant l’enroulement inducteur comme secondaire. Ce moteur peut également être utilisé pour relèves le facteur de puissance d’une installation. Dans ce cas, il doit être (surexcité), il fournit alors de la puissance réactive au réseau (charge capacitive). 1.2.3 Problème de démarrage Le moteur synchrone ne peut pas démarrer seul, car au démarrage, le champ magnétique créé par le courant continu dans l’enroulement d’excitation ou par des aimants est fixe par rapport au rotor. L’interaction de ce champ avec le champ tournant du stator créé un couple qui a une valeur moyenne nulle. Le démarrage autonome d’un moteur synchrone alimenté à fréquence fixe n’est pas possible. Pour que le moteur développe un couple de valeur moyenne non nulle au démarrage, il faut entrainer le rotor à la vitesse de synchronisme pour qu’il puisse accrocher à la vitesse du champ tournant du stator. 1.3 Description de la machine asynchrone Les moteurs asynchrones sont des moteurs électriques à courant alternatif, industriels par excellence. Ils ont, pour leur grande majorité, un rotor à cage. Les progrès accomplis ces dernières années dans l'alimentation et la commande des machines ont participé à un large emploi pour différentes applications industrielles par rapport à leurs homologues à courant continu. Le moteur asynchrone, aussi appelé moteur à induction fonctionne avec un courant alternatif (généralement triphasé). Sa particularité est de fonctionner avec un induit en court-circuit ; il représente au moins 80% des moteurs électriques dans les applications industrielles, cela est dû à sa simplicité de construction, sa robustesse et à la facilité de démarrage. 1.3.1Constitution [01] Deux composantes principales constituent le moteur asynchrone, souvent appelé moteur à induction. Elles sont faites des tôles d’aciers au silicium et comportes des encoches dans lesquelles en place les enroulements. L’une des composantes, appelé le stator, est fixe, on trouve les enroulements reliés à la source. L’autre composante, nommée le rotor, est montée sur un axe et libre de tourner. Selon que les enroulements du rotor sont accessibles de l’extérieur ou sont fermés sur eux-mêmes en permanence, on reconnait deux types de rotor : le rotor bobiné et le rotor à cage d’écureuil (courtcircuité). 7 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Dans le cas du rotor bobiné, aussi appelé rotor à bagues, l’enroulement rotorique triphasé, couplé en Etoile, est connecté à trois bagues qui le rendent accessible de l’extérieur par l’intermédiaire de balais. On peut ainsi le court-circuiter comme cela se produit en marche normale, insérer des résistances dans le circuit lors du démarrage et dans certains cas spéciaux de fonctionnement ou y raccorder un convertisseur de courant à thyristors afin de régler le courant de démarrage et la vitesse en marche. Depuis quelques années le moteur à bagues a été délaissé au profit du moteur à cage piloté par des convertisseurs à fréquence variable. Boite de raccordement Flasque palier coté ventilateur Enroulement statorique Roulement Ventilateur Capot de ventilation stator Rotor à cage Roulement Flasque palier coté bout d’arbre Figure (1.4) : Vue éclatée d’un moteur Asynchrone à cage 1.3.1.1 Stator (inducteur) Le stator est une partie métallique « fixe » du moteur de forme cylindrique, qui induit la rotation du rotor par un champ magnétique tournant. Le stator d’un moteur triphasé (le plus courant en moyenne et grosse puissance) comme son nom l’indique est la partie statique du moteur portant sur sa périphérie trois enroulements logés dans des encoches. 8 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Les enroulements du stator sont alimentés par un système de courants alternatif triphasé. Il est bobiné de manière qu’il possède un nombre de pôles (2P) et doit crée alors un champ magnétique tournant à une vitesse dite synchrone : Ns. Le stator se compose principalement d’un noyau en fer feuilleté un empilage de tôles ferromagnétiques minces identiques en forme de couronne qui constituent un cylindre) de manière à canaliser le flux magnétique, et des enroulements (ou bobinage en cuivre) des trois phases logées dans les encoches du noyau. La vitesse de synchronisme (celle du champ tournant) est fonction de la fréquence du réseau d'alimentation (50 Hz) et du nombre de paires de pôles. Vu que la fréquence est fixe, la vitesse de rotation du champ tournant du moteur ne peut varier qu'en fonction du nombre de paires de pôles. La vitesse synchronisme: 𝑛 60 . f P (1.2) 𝑛 : vitesse synchrone (du champ tournant) ; (tr/min) f : fréquence (Hz) P : nombre de paires de pôles. f=50Hz Paires de pôles 1 2 3 4 6 ….. Nombre de pôles 2 4 6 8 12 ….. Ns [tr/min] 3000 1500 1000 750 500 ….. 1.3.1.2 Rotor (induit) Le rotor, monté sur l’arbre du moteur se compose d’un cylindre fait de tôles empilées, des encoches sont percées à la périphérie extérieure destinées à recevoir des conducteurs. Il est séparé du stator par un entrefer très court de l’ordre de 0,4 à 2 mm seulement. Il existe deux types de rotor : le rotor à cage d’écureuil et le rotor bobiné. Rotor a cage d’écureuil Il est constitué de barres conductrices très souvent en aluminium (ou cuivre). Les extrémités de ces barres sont réunies par deux couronnes également conductrices, ce qui constitue une véritable cage d’écureuil (robuste). On distingue que le rotor est en court-circuit, est ça résistance électrique est très faible. 9 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Figure (1.5) : Rotor à cage d’écureuil d’un moteur Asynchrone Rotor bobiné (à bagues collectrices) Les enroulements rotoriques sont localisés dans les encoches situées à la périphérie du rotor. Ces enroulements sont bobinés (comme c’est le cas au stator) de manière à obtenir un enroulement triphasé à P paire de pôles. Les bobinages rotoriques sont toujours couplés en étoile, et les trois bornes accessibles sont reliées à la carcasse du stator à l’aide d’un système constitué de trois bagues tournantes et de trois bagues fixes (reliés à un circuit externe). Figure (1.6) : Rotor bobiné d’un moteur Asynchrone 1.3.1.3 Entrefer C’est l’espace entre le stator est le rotor, doit être le plus réduit que possible afin de limiter la réluctance du circuit magnétique pour obtenir une inductance propre élevée ce qui limite le courant absorbé à vide. 10 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées 1.4 Principe de fonctionnement des machines asynchrones [02] Le principe des moteurs à courant alternatifs réside dans l’utilisation d’un champ magnétique tournant produit par des tensions alternatives La circulation d’un courant dans une bobine crée un champ magnétique B. Ce champ se canalise dans l’axe de la bobine, sa direction et son intensité sont fonction du courant I. c’est une grandeur vectorielle. Si le courant est alternatif, le champ magnétique varie en sens et en direction à la même fréquence que le courant. Si deux bobines sont placées à proximité l’une de l’autre, le champ magnétique résultant est la somme vectorielle des deux autres. Dans le cas du moteur triphasé, les trois bobines sont disposées dans le stator à 120° les unes des autres, trois champs magnétiques sont ainsi créés. Compte-tenu de la nature du courant sur le réseau triphasé, les trois champs sont déphasés (chacun à son tour passe par un maximum). Le champ magnétique résultant tourne à la même fréquence que le courant soit 50 tr/s. Figure (1.7) : création d’un champ magnétique tournant par trois enroulements. Les trois enroulements statoriques créent donc un champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme. Si on place une boussole au centre, elle va tourner à cette vitesse de synchronisme. La cage rotorique est balayée par le champ magnétique tournant. Les conducteurs sont alors traversés par des courants de Foucault induits. Des courants circulent dans les anneaux formés par la cage, les forces de LAPLACE qui en résultent exercent un couple sur le rotor. D’après la loi de Lenz les courants induits s’opposent par leurs effets à la cause qui leur a donné naissance, le rotor tourne alors dans le même sens que le champ mais avec une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme de ce dernier. 11 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse que le champ magnétique, sinon la cage ne serait plus balayée par le champ tournant et il y aurait disparition des courants induits et donc des forces de la place et du couple moteur. Les deux fréquences de rotation ne peuvent donc pas être synchrones d’où le nom de moteur asynchrone. Remarque La différence de vitesse entre le rotor et le champ statorique est appelée vitesse de glissement, lors qu'il est entraîné au-delà de la vitesse de synchronisme, la machine fonctionne en générateur alternatif mais son stator doit être forcément relié au réseau car lui seul peut créer le champ magnétique nécessaire pour faire apparaître les courants rotorique un fonctionnement en générateur alternatif autonome est toutefois possible à l'aide de condensateurs connectés sur le stator, à condition qu'il existe un champ magnétique rémanent. Dans la machine asynchrone le seul apport d’énergie s’effectue par le stator, c’est donc ce dernier qui est à l’origine des deux champs. 1.4.1 Glissement, couple et vitesse de rotation [03] Le rotor tourne à la vitesse Ω plus petite que la vitesse de synchronisme Ωs . On dit le rotor (glisse) par rapport au champ tournant. Ce glissement va dépendre de la charge. 𝑔 (1.3) Le couple s’écrit : ∗ 𝐶 3. 𝑝 . (1.4) ∗ ℒ . Il passe par un maximum pour gmax : 𝐶 . .ℒ . . 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑔 𝑔 ∗ ℒ . (1.5) La vitesse s’exprime en fonction du glissement selon l’expression : 𝜔 𝛺 1 𝑔 . 𝑝 𝑛 : vitesse de rotation de synchronisme du champ tournant (tr/min) 𝑛 : vitesse de rotation du rotor (tr/ min ). s : Pulsation des courants statoriques. Ωs = 2π ns (rad/s) : vitesse angulaire au stator Ω = 2 π n(rad/s.) : vitesse angulaire au stator 12 Chapitree 1 G Généralités sur les machinnes à C.A triphasées Figure (1.8) ( : Caractéristique d de couple en e fonction dde la vitessee 1..4.2. Puissaances et le rendement r d’un moteur asynchrrone triphaasé 1..4.2.1. La puissance p La puissancee consomméée sur le résseau en triphhasée est : 𝑃 𝑈𝐼 𝑐𝑜𝑠 𝜙 √3𝑈 (1.6) moteur est une u caractérristique indiqué sur la plaque p signaalétique. Le cos du m Plaqque signaléétique C C’est une pllaque sur laaquelle sonnt les caracctéristiques du moteur en fonctioonnement normal n (couplaage, tension, puissance, intensité… ….etc.) ; génnéralement deux tensioons sont insscrites dessuus : la petite teension correespond à la tension nom minal de l’eenroulemennt ou la tenssion entre phases dans le cas d’un coouplage trianngle (); la plusgrandee tension corrrespond à la tension eentre phasess dans le cass d’un couplagge étoile(Y). Figure (1.9) : plaquue signalétiqque d’une maachine asynchhrone 13 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées 1.4.2.2 Le rendement Le rendement η du moteur asynchrone est le rapport entre la puissance utile mécanique qu’il fournit et la puissance électrique qu’il absorbe, de sorte que 𝜂 (1.7) 𝜂: Rendement du moteur est exprimé en [%]. Pu : La puissance utile est exprimée en watts [W]. Pa : La puissance absorbée en watts [W] 1.4.2.3 Bilan des puissances [03, 04] Figure (1.10) : le bilan des puissances d’un moteur asynchrone Ω : vitesse du synchronisme . Ω r : vitesse du rotor. T :Ce : couple transmis au rotor ou couple électromagnétique . 𝐶 (1.8) 𝐶 (1.9) Tu : Cu : couple utile . Ptr : puissance électromagnétique transmise au rotor . 𝑃𝑡𝑟 𝑇. Ω . 𝑃 𝑇𝛺 (1.10) Pu :Puissance utile (mécanique) au niveau du rotor . 𝑃𝑢 𝑇𝛺 (1.11) R : résistance entre phases du stator . r : résistance d’un enroulement . 14 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Pm : pertes mécaniques . Pjs : Pertes Joules stator Pjs = 3rI² (1.12) PJ r : Pertes joule rotor. Pjr = g Ptr (1.13) 1.5 Couplage des moteurs asynchrones triphasés [02] Il est choisi en fonction de la tension nominale de l’enroulement et de la tension du réseau d’alimentation, un mauvais choix du couplage entraine la suralimentation ou la sous-alimentation du moteur, donc sa destruction ou son dysfonctionnement suivant les cas. Couplage des enroulements Le couplage des enroulements statoriques permet de faire fonctionner les moteurs asynchrones sous deux tensions. Branchement étoile ou triangle Il y a deux possibilités de branchement du moteur au réseau électrique triphasé : le montage en étoile et le montage en triangle. Avec un branchement en étoile, la tension aux bornes de chacune des bobines est d’environ 230V. Dans le montage en triangle, chacune des bobines est alimentée avec la tension nominale du réseau (400V). On utilise le montage étoile si un moteur de 230V doit être reliée sur un réseau 400V ou pour démarrer un moteur à puissance réduite dans le cas d’une charge avec une forte inertie mécanique. Figure (1.11) : Les deux couplages du moteur au réseau électrique Étoile ou Triangle 15 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées le bobinage Les bobines sont logées dans les encoches du stator. S’il y a une paire de pôles magnétique pour chacune des trois phases, la fréquence de synchronisme est alors de 3000 tr/mn. Si on augmente le nombre de paires de pôles, il est possible d’obtenir des moteurs avec des fréquences de rotation différentes (pour un réseau de fréquence 50 Hz). - 1 paire de pôles => 3000 tr/mn. - 2 paires de pôles => 1500 tr/mn. …etc. Figure (1.12) : vue en coupe des bobines statoriques Le branchement des bobines sur le réseau se fait au niveau de la plaque à bornes située sur le dessus du moteur. On dispose ainsi de six connexions, une pour chacune des extrémités des trois bobines. Les bornes sont reliées aux bobines selon le schéma ci-contre. Figure (1.13) : le branchement des trois bobines à la plaque à bornes L’enroulement de toute machine électrique est la pièce maitresse nécessaire pour la création du champ magnétique. Il est constitué de bobines ou de sections, généralement en cuivre, connectées en série ou en parallèle. Trois types de bobinage de stator sont habituellement utilisés : ‐ l’imbriqué, - le concentrique, - et l’ondulé. 16 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Chacun d’entre eux présentent ses propres avantages : L’enroulement imbriqué s’utilise pour le bobinage de moteurs à partir de quelques dizaines de kW. Dans les petits moteurs asynchrones on emploie généralement l’enroulement concentrique, surtout quand le bobinage est mécanisé. L’enroulement ondulé est indiqué pour les moteurs à bagues. Les enroulements imbriqué et ondulé sont le plus souvent à double couche, de manière que chaque encoche contient deux côtés de bobine et le nombre de conducteurs par encoche doit forcément être pair. Pour utiliser le moteur sous plusieurs tensions différentes, on peut répartir les bobines en un certain nombre de groupes qu’on peut relier en série ou en parallèle. Dans ce dernier cas on s’y réfère comme des chemins en parallèle 1.6 Caractéristiques du moteur asynchrone [02] Le couple varie avec la fréquence de rotation pour le moteur et pour la charge entrainée. Les caractéristiques du moteur et de la charge se croisent au point de fonctionnement pour lequel les couples moteur et résistant sont identiques. Figure (1-14) : Caractéristique mécanique n=f(C) et point de fonctionnement d’un MAS 1.6.1 Caractéristique en charge [04] Dans la courbe ci dessous on remarque les différentes grandeurs en fonction de la puissance utile en y ajoutant celle de la vitesse. Les caractéristiques obtenues mettent en évidence quelques unes des propriétés essentielles du moteur d'induction à cage d'écureuil : 17 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Figure (1.15) : les courbes des différentes grandeurs du moteur asynchrone 1° Facteur de puissance : sa valeur baisse beaucoup quand la charge diminue. à vide il est d’environ 0,2. Il faut donc éviter d’installer des moteurs plus puissants qu’il n’est nécessaire. 2° Rendement : le rendement est bon á partir de la demi charge. Il est maximal au voisinage de la puissance nominale. 3° Vitesse : la vitesse décroît quand la charge augmente. Toutefois la variation est faible puisqu’elle est seulement de 5 % entre la marche à vide et la marche à pleine charge Le glissement des gros moteurs est plus faible encore. C’est parce que les moteurs d’induction n’ont pas une vitesse rigoureusement constante et surtout parceque cette vitesse ne résulte pas seulement de la fréquence du courant d’alimentation qu’on les nommes moteurs asynchrones. Mais une variation de la vitesse de 2 à 5 % entre la marche à vide et la marche à pleine charge est négligeable dans la plupart des cas d’emplois industriels de moteurs. 1.6.1 Principe de démarrage des moteurs asynchrones Les courants statoriques créent un champ magnétique tournant dans le stator. La fréquence de rotation de ce champ est imposée par la fréquence des courants statoriques, c’est-à-dire que sa vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence de l'alimentation électrique. La vitesse de ce champ tournant est appelée vitesse de synchronisme. L'enroulement du rotor est donc soumis à des variations de flux (du champ magnétique). Il s’y déclenche donc des courants de Foucault (qui peuvent exister puisque la spire est refermée sur elle-même). Ces courants créent une force de Laplace qui tend à 18 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées mettre la spire en rotation pour s'opposer à la cause qui leur a donné naissance, d'après la loi de Lenz. Le rotor en court-circuit part ainsi à la "poursuite" du champ magnétique tournant. La machine est dite asynchrone car elle est dans l'impossibilité, sans la présence d'un entraînement extérieur, d'atteindre la même vitesse que le champ statorique. En effet, dans ce cas, vu dans le référentiel du rotor, il n'y aurait pas de variation de champ magnétique ; les courants s'annuleraient, de même que le couple qu'ils produisent, et la machine ne serait plus entraînée. La différence de vitesse entre le rotor et le champ statorique est appelée vitesse de glissement. Supposons que le rotor soit à l'arrêt. Si on alimente les trois enroulements satiriques par un système de tension triphasé, alors on crée un champ magnétique tournant (glissant) à la vitesse 𝑛𝑠 60 . La cage rotorique est balayée par le champ magnétique tournant. Les conducteurs sont alors traversés par des courants de Foucault induits. Des courants circulent dans les anneaux formés par la cage, les forces de Laplace qui en résultent exercent un couple sur le rotor. D'après la loi de Lenz les courants induits s'opposent par leurs effets à la cause qui leur a donné naissance. Le rotor tourne alors dans le même sens que le champ mais avec une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme de ce dernier. Le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse que le champ magnétique, sinon la cage ne serait plus balayée par le champ tournant et il y aurait disparition des courants induits et donc des forces de Laplace et du couple moteur. Les deux fréquences de rotation ne peuvent donc pas être synchrones d'où le nom de moteur asynchrone. - problème de démarrage Lors d’un démarrage d’une machine asynchrone, le courant d’enclenchement peut atteindre plusieurs fois le courant nominal de machine. Si l’application utilise un variateur ou un démarreur, c’est ce dernier qui se chargera d’adapter les tensions appliquées à la machine afin de limiter ce courant, en l’absence de variateur de vitesse, Il existe plusieurs méthodes permettant de limiter le courant de démarrage. Elles ont été développées avant l’application de l’électronique de puissance mais sont encore utilisé de nos jours dans l’installation anciennes ou par mesure d’économie pour des applications ne nécessitant pas de variateur en de hors du démarrage. Le point de courant génère une « chute de tension » dans la ligne qui est limitée par la norme. Cette chute de tension peut détériorer les appareils raccordés sur la même ligne. Le problème du démarrage concerne donc essentiellement la limitation de la chute de tension à des valeurs admissibles par la norme. 19 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Le compromis est donc : limiter le courant pendant le démarrage tout en conservant un couple moteur suffisant pour assurer le démarrage. Pour ce faire on peut agir sur deux facteur influant (si le moteur est alimenté par le réseau à fréquence industrielle) : - La tension d’alimentation, - La résistance rotorique - Couple de démarrage Pour que le moteur entraine une machine, il lui faut un couple de démarrage. Celui-ci doit d’une part décoller la masse (de moment d’inertie J) de la machine et d’autre part vaincre le couple résistant relatif à la machine. On désigne par Ta le couple d’accélération (qui n’existe que pendant la mise en vitesse de la masse d’inertie J) et Tr le couple résistant de la machine (qui se maintien durant tout le fonctionnement du moteur) Ainsi le Couple de démarrage Td peut se calculer : Td = Ta + Tr Figure (1.16) : caractéristique mécanique d’un moteur asynchrone - Couple moteur (Démarrage direct) Au moment du démarrage, le couple moteur est en moyenne de 1,5 à 2 fois le couple nominal. 20 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées Figure(1.17): courbes de Couples moteur et résistant en fonction de la vitesse - Courant du démarrage Lors du démarrage d'un moteur asynchrone triphasé́ , le courant de démarrage est très important ( 4 à 8 fois l'intensité́ nominale). Pour ne pas détériorer le moteur, on réduit le courant de démarrage en effectuant des procédés de démarrage. Au moment du démarrage, le moteur asynchrone triphasé fonctionne comme un transformateur, dont le lequel le primaire (stator) est sous une tension et le secondaire (rotor) est en court-circuit, l’intensité appelée est alors très simple. Suivant le type et la puissance du moteur, le courant de démarrage peut atteindre à 8 fois le courant nominale de pleine charge. Cet appel de courant très important de court durée que le moteur pourrait le supporter sans risque d’échauffement dangereux, par ailleurs il est un gène pour le distribution d’énergie électrique et pour les utilisateurs en voisinage sur la même ligne, en provoquant des chutes de tension excessive, il est alors nécessaire de réduire ce courant de démarrage. Pour le Moteur à cage d’écureuil : le seul moyen pour réduire le courant de démarrage est de réduire la tension aux bornes du stator en utilisant plusieurs moyens par exemple le démarrage étoiletriangle. Pour Moteur à rotor bobiné : Il est possible de réduire le courant de démarrage, en insérant un rhéostat avec les enroulements rotoriques, Le courant rotorique est sensiblement proportionnel au couple fournie : Le moteur a rotor bobiné ne peut pas démarre en un seul temps (courant et couple inadmissible). Il est recommandé d’employer les moteurs à rotor bobiné pour l’entraînement des machines de grande puissance et ceux exigent un grand couple de démarrage et les moteurs à cage 21 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées sont plus économiques, plus robustes ; que les moteurs a rotor bobiné. La puissance est : Inferieur à 30 kW sous 4 pôles ; Supérieur à 30 kW, on utilise des moteurs à rotor bobiné. 1.6.1.1 Le choix d’un démarreur Le choix est guidé par des critères économiques et techniques qui sont : les caractéristiques mécaniques. les performances recherchées. la nature du réseau d’alimentation électrique. l’utilisation du moteur existant dans le cas d’un rééquipement. la politique de maintenance de l’entreprise. le coût de l’équipement. Le choix d’un démarreur sera lié : au type d’utilisation : souplesse au démarrage. à la nature de la charge à entraîner. au type de moteur asynchrone. à la puissance de la machine. à la puissance de la ligne électrique. à la gamme de vitesse requise pour l’application. 1.6.1.2 Les différents types des systèmes de démarrage Il existe différents commutations et méthodes de démarrage les plus importantes utilisées dans l’industrie sont présentés ci-dessous: Démarrage classique : Démarrage direct. Démarrage étoile-triangle. Démarrage par élimination des résistances statoriques. Démarrage par élimination des résistances rotoriques. Démarrage par autotransformateur. Démarrage électronique : Démarrage avec démarreur progressif électronique. Démarrage avec variateur de vitesse. 22 Chapitre 1 Généralités sur les machines à C.A triphasées 1.7 Conclusion Toute machine électrique fonctionnant en moteur cause de problèmes lors de sans démarrage. Ce phénomène (démarrage) est considéré comme un régime transitoire dans le fonctionnement dynamique des moteurs électriques en charge. Alors l’étude et l’évaluation de ses effets sont une nécessité pour le bon fonctionnement de toute l’installation. Les moteurs triphasés asynchrone et synchrone possèdent plusieurs procédés de démarrage selon leur type, construction, et alimentation. Les procédés utilisés pour le démarrage d’un moteur asynchrone triphasé seront détaillés au chapitre qui suit. 23 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones 24 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones 2. 1 Introduction La machine asynchrone, connue également sous le nom de la machine à induction, est une machine électrique à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Du fait de sa simplicité de construction, d'utilisation et d’entretien, de sa robustesse et son faible prix de revient, la machine asynchrone est aujourd'hui très couramment utilisée comme le moteur dans une gamme de puissance allant de quelque centaine de watts à plusieurs milliers de kilowatts. La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu'à l'avènement de l'électronique de puissance. On la retrouve aujourd'hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains, propulsion des navires), dans l'industrie (machines-outils), dans l'électroménager. Elle était à l'origine uniquement utilisée en moteur, mais toujours grâce à l'électronique de puissance, elle est de plus en plus souvent utilisée en génératrice; c'est par exemple le cas des éoliennes. Vu son emplacement dans les applications industrielles le moteur asynchrone nécessite une installation électrique spéciale afin d’assurer sa bonne mise en marche, sa protection et sa commande dans de meilleurs conditions admissibles. 2.2 Constitution des installations industrielles pour machines électriques Les installations industrielles des automatismes sont constituées de deux parties distinctes appelées : circuit de commande et circuit de puissance. 2.2.1. Circuit de commande Il comporte l’appareillage nécessaire à la commande des récepteurs de puissance. On trouve : La source d’alimentation Un appareil d’isolement (sectionneur). Une protection du circuit (fusible, disjoncteur). Un appareil de commande ou de contrôle (bouton poussoir, détecteur de grandeur physique). Organes de commande (bobine du contacteur). 25 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones La source d’alimentation et l’appareillage du circuit de commande ne sont pas nécessairement celle du circuit de puissance, elle dépend des caractéristiques de la bobine. 2.2.2 Circuit de puissance Il comporte l’appareillage nécessaire aux fonctionnements des récepteurs de puissance suivant un automatisme bien défini. On trouve : Une source de puissance (généralement réseau triphasé) Un appareil d’isolement (sectionneur). Une protection du circuit (fusible, relais de protection). Appareils de commande (les contacts de puissance du contacteur). Des récepteurs de puissances (moteurs). Dans tous les cas, le circuit terminal moteur doit satisfaire 4 fonctions principales : SECTIONNER : isoler le circuit terminal du circuit amont et permettre des interventions de maintenance en toute sécurité. PROTEGER CONTRE LES COURTS CIRCUITS : cette protection avec une détection suivie d’une coupure rapide est obligatoire pour éviter la détérioration de l’installation. COMMUTER : commander le moteur de manière manuelle, automatique ou semiautomatique, progressive, variable en fonction de la vitesse. PROTEGER CONTRE LES SURCHARGES : cette protection avec une détection et une coupure doit éviter que toute élévation intempestive de la température du moteur n’entraîne la détérioration de ses isolants. D’autres fonctions secondaires (comme le contrôle d’isolement du moteur ou de la température) peuvent être mises en œuvre dans certains circuits. 2.3. Les appareils de commande, de signalisation et de protection 2. 3.1 Sectionneur Assurer le sectionnement (séparation du réseau) au départ des équipements. Dans la plupart des cas il comporte des fusibles de protection. Le pouvoir de coupure est le courant maximal qu’un appareil de sectionnement peut interrompre sans aucun endommagement. Le sectionneur n’a pas de pouvoir de coupure, il doit être manipulé à vide. 26 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynchhrones Figure (2.1) ( : Sectionneur porte fusible f 2.3.2 Fusible C’est éléément compportant un fil conducteur, grâce à sa fusioon, il interrrompe le circuit c male supportée par électriqque lorsqu’ill est soumiss à une intennsité du couurant qui déépasse la valleur maxim le fil. Figure (2.2)): fusible cyllindrique et à couteaux Selon l’appplication, il existe plusieurs types dde fusibles : GF : fusible à usage domestiquee, il assure la protection contre lles surcharg ges et les courtsc circuits. c GG : fusibble à usage industriel. Protège coontre les faiibles et forttes surchargges et les courtscircuits. Uttilisation : éclairage, fouur, ligne d’aalimentationn, … ment moteurr, commence à réagir à partir AM : cartouche à usagge industriell, pour l’acccompagnem de 4In (In est e le couraant prescrit sur le fusibble), protègee uniquemeent contre lees courts-cirrcuits. Utilisation: Moteurs, trransformateeurs, … 2.3.3 Interrupteur secctionneur L’interrupteeur sectionnneur a un poouvoir de cooupure, peuut être manippulé en charrge. 27 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones Figure (2.3): ( Interruupteur sectioonneur 2.3.4 Relaiis thermiqu ue Le relais dee protectionn thermique protège le moteur m conttre les surchharges. Figu ure (2.4) : Reelais thermiqque 2.3.5 Disjoncteur C’est un apppareil de protection p qu ui comportee deux relaiis, relais maagnétique qui q protège contre c les courrts-circuits et e un relais thermique qui q protège contre les surcharges. s Fiigure (2.5) : Disjoncteurr 28 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones 2.3.6 Le contacteur Le contacteur est un appareil de commande capable d'établir ou d'interrompre le passage de l'énergie électrique. Il assure la fonction COMMUTATION. En Technologie des Systèmes Automatisés ce composant est appelé Pré-actionneur puisqu'il se trouve avant l'actionneur dans la chaîne des énergies. Figure (2.6): Contacteur 2.3.7 Capteur de fin de course Les interrupteurs de position mécanique ou capteur de fin de course coupent ou établissent un circuit lorsqu’ils sont actionnés par un mobile. Figure (2.7): Capteur de fin de course 2.3.8 Bloc auxiliaire temporisé Les blocs auxiliaires temporisés servent à retarder l'action d'un contacteur (lors de sa mise sous tension ou lors de son arrêt) 29 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones Figure (2.8): ( Bloc auxiliaire tem mporisé 2.3.9 Bloc de contactts auxiliairees Le bloc dee contacts auxiliaires a e un apparreil mécaniique de connnexion quii s’adapte sur est s les contacteeurs. Il perrmet d’ajouuter de 2 à 4 contacts supplémenttaires au coontacteur. Les L contacts sont prévus pour p être uttilisés dans la partie coommande dees circuits. Ils ont la m même désignnation et reppérage dans less schémas qque le contacteur sur leqquel ils sonnt installés (K KA, KM...)). Figure (22.9) : Bloc dee contacts au uxiliaires On trouve dd’autres moodèles d’associations dee contacts Figure (2.10) : autres modèlees d’associattion de contaacts 30 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones 2.4 Les problèmes de démarrage des moteurs asynchrone triphasés Au moment du démarrage, le moteur asynchrone triphasé fonctionne comme un transformateur, dont lequel le primaire (stator) est sous une tension et le secondaire (rotor) est en court-circuit, l’intensité appelée est alors très simple. Suivant le type et la puissance du moteur, le courant de démarrage peut atteindre 4 à 10 fois le courant nominale de pleine charge. Cet appel de courant très important de courte durée pourrait causer un risque d’échauffement des enroulements, par ailleurs il est un gène pour la distribution d’énergie électrique et pour les utilisateurs en voisinage sur la même ligne, en provoquant des chutes de tension excessives, il est alors nécessaire de réduire ce courant de démarrage. Pour ces raisons en autres, il faut parfois effectuer un démarrage différent du démarrage direct. Il est donc logique de limiter le courant pendant le démarrage à une valeur acceptable. Mais si l'on limite le courant, on limite du fait la tension (dans certain cas seulement). Pour moteur à cage d’écureuil Pour ce type de moteur, le seul moyen pour réduire le courant de démarrage est de réduire la tension aux bornes du stator en utilisant plusieurs moyens par exemple le démarrage étoile-triangle. Pour moteur à rotor bobiné Il est possible de réduire le courant de démarrage, en insérant un rhéostat dans les enroulements rotoriques, Le courant rotorique est sensiblement proportionnel au couple fournie : 𝐶 2. 𝐶 (2.1) 𝐼 2. 𝐼 (2.2) Avec: Id : courant de démarrage [A]. In : courant nominal [A]. Cd : couple de démarrage [Nm]. Cn : couple nominal [Nm]. Le moteur à rotor bobiné ne peut pas démarrer en un seul temps (courant et couple inadmissible). Il est recommandé d’employer les moteurs à rotor bobiné pour l’entraînement des machines de grande puissance et ceux exigent un grand couple de démarrage et les moteurs à cage sont plus économiques, plus robustes ; que les moteurs a rotor bobiné. La puissance est : Inferieure à 30 kW sous 4 pôles ; Supérieure à 30 kW, on utilise des moteurs à rotor bobiné. 31 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones 2.4.1 Probllématique de d démarraage En régime perrmanent lee moteur dooit entraînerr en rotationn la machin ne à son pooint de foncctionnemennt nominal : Cmoteur = Crésistant , il n’y a pas d’acccélération : r Ω Au démarragge il faut accélérer a ( 0 (2.3) Ω 0). Le couple d’accélérationn Cacc doiit être posiitif donc lee couple mooteur au déémarrage do oit être suppérieur au couple c résisstant : Cmooteur > Crésistaant. Un couplee d’accéléraation impoortant correespond à un u démarraage de cou urte durée, mais l’ensem mble mécaniique entraînné peut subirr un « à-couup » préjudiiciable. Figurre (2.11) : diff fférents coupples de démaarrage d’un M MAS Pendant la phase de démarrage du moteur, la plage du d couple m moteur com mpatible avvec un démarraage correct de la chargge nécessitee un appel de courantt important à la mise sous s tension n .Cet appel dee courant enntraîne : Des chuutes de tensiions supplémentaires par p rapport au a régime permanent p een deux poin nts : - en amontt du départ moteur. Ceelle-ci est pperçue par le l moteur mais m aussi par p les réceppteurs voisins. - Dans la liggne du moteur; celle-ci est perçuee uniquemennt par le mooteur. Par exemplle, une chutte de tension n de 10 % aux a bornes du moteur entraîne une perte de couple c de 19 % (lee couple mooteur est prooportionnel au carré dee la tension d’alimentaation), ce quui peut 32 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones entraîner un u blocage du rotor ( Cmoteur < Crésistant) ou un temps dde démarraage trop lonng Cmoteur>Créssistant mais Cacc C trop faiible). ( - des contraaintes therm miques supplémentairess pour le mo oteur. Les m machines son nt dimensioonnées pour un u point de d fonctionnnement noominal, lors du démarrage il convient c de d s’assurerr que l’échauffement impposé au moteur ne risqque pas de lee détériorer.. C’est-à-dirre, qu’il fauut s’assurer que le temps de d démarragge ne soit paas trop long, compte-teenu de la valleur du courrant de dém marrage. En conclussion : 1- A la misse sous tensiion d’un mooteur asynchrone un apppel de courrant a lieu. On doit s’aassurer que le rappport entre lee courant de d démarragge et le couurant nominnal ( l’installlation est prévue p pour fonctionner sous ce courant ) n’est pas ppréjudiciablle à l’installlation. 2- A la miise sous tennsion le mooteur doit délivrer d un couple c supéérieur à cellui opposé par la machine enntraînée. D’’une part, le couple déélivré par lee moteur doit être sufffisamment grand pour que lee temps de démarrage ne soit pass trop long ; d’autre ppart, le coupple délivré par le moteur ne doit pas êtrre trop grannd pour que l’à-coup de d couple n’’endommag ge pas l’ensemble mécanique entraîné. 2.4.2 Soluttion généra ale au probllème de dém marrage La figure ci-dessous c donne l’orgganisation ffonctionnellle d’un cirrcuit terminnal de démaarrage d’un mooteur asynchrone triphaasé et les foonctions qu’’il doit satissfaire. Figure (2.12) : l’’organisation n fonctionneelle d’un Circcuit de démaarrage d’un m moteur asyncchrone triphhasé 33 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones Le comprom mis est donnc : limiter le l courant pendant p le démarrage d tout en consservant un couple c moteur suffisant poour assurer le démarragge. Pour ce faiire on peut agir sur deuux facteurs influant (sii le moteur est alimentté par le résseau à fréquennce industrieelle) : La tenssion d’alimeentation La résiistance rotorrique 2.5 Less types de démarrag ge 2.5.1 Démaarrage classique Indépendam mment des démarreurs électroniqques, on diistingue priincipalemennt cinq proocédés électrom mécaniques pour assureer le démarrrage des mooteurs asyncchrones tripphasés. Ils ont o pour intéérêt de limiter le courant en ligne ett de rendre le démarraage moins brutal. b Pourr chacun dee ces procéd dés, il existe un u schéma dde puissancee, un schém ma de commaande et un symbole s unnifilaire assoociés. 2.5.1.1 Dém émarrage diirect pour un u moteur aasynchrone de faible pu uissance C’est le m mode de déémarrage lee plus simpple qui ne peut être exécuté quu’avec le moteur m asynchrrone à cagee. Dans ce procédé p de démarrage, le moteur asynchronee est branchhé directemeent au réseau d’alimentattion le dém marrage s’eeffectue en un seul teemps. Le ccourant de démarragee peut atteindrre 4 à 8 foiss le courant nominal duu moteur. L Le couple dee décollage est importaant, peut atteeindre 1.5 foiss le couple nominal. n a- Schéma fonctionneel Le schémaa ci-dessouss représentee le schémaa fonctionnnel du modee de démarrrage directt d’un moteur asynchronee triphasé. Figure (2..13) : Schém ma fonctionneel de démarrrage direct d’un d moteur aasynchrone triphasé. t b- Schéma de puissan nce et de com mmande On veut déémarrer un moteur asyynchrone trriphasé dan ns un sens de marche avec un bouton b poussoiir S2 et l’arrrêt par un boouton pousssoir S1. 34 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones Figure (2.14): Schéma de puissance et de commande de démarrage direct. Figure (2.15): Exemple de schéma de démarrage direct avec signalisation 35 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones c- Principe de fonctionnement -Fonctionnement sectionnement : elle sera ici assurée par un sectionneur porte-fusibles repéré Q1. Son rôle est d’isoler le circuit afin de garantir la sécurité des intervenants lors des opérations d’ordre électrique sur l’équipement (consignation électrique). -Fonction protection de l’installation : elle sera ici assurée par cartouches fusibles associées au sectionneur Q1.Elles servent à protéger les conducteurs en cas de court-circuit ou de forte surcharge mécanique (blocage du moteur…).Cette fonction peut aussi être réalisée par le déclencheur magnétique d’un disjoncteur magnétothermique. -Fonction protection thermique du moteur : Elle sera assurée par un relais thermique repéré F1. Elle permet de protéger le moteur en cas de démarrages trop fréquents ou surcharge mécanique. Cette fonction peut aussi être assurée par le déclencher thermique d’un disjoncteur magnétothermique. -Fonction commutation : Elle permet la mise sous tension et hors tension du moteur. Elle sera assurée par un contacteur repéré KM1. d- Courbes caractéristiques La figure ci dessous représente les différentes caractéristiques du couple et du courant de mode démarrage direct. Figure (2.16): Courbes caractéristiques de démarrage direct (Couple de moteur+ Courant absorbé) 36 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones La surintensité au moment du démarrage peut être de 4 & 8 fois l’intensité nominale. Au moment du démarrage, le couple moteur est en moyenne de 1,5 à 2 fois le couple nominal. Les avantages et les inconvénients d’utilisation du mode de démarrage direct d’un moteur asynchrone triphasé sont comme suit: Avantages - Installation très simple, - Démarrage simple, - Couple de démarrage important , - Prix faible, - Temps de démarrage court. Inconvénient - Pointe de courant très importante, - S’assurer que le réseau admet cette pointe, - Démarrage brutal. - Ne permet pas un démarrage doux et progressif. Dans le démarrage direct d’un moteur asynchrone triphasé, le couplage des enroulements peut être en étoile ou en triangle selon les caractéristiques du moteur et le réseau d’alimentation. 2.5.1.2. Démarrage direct semi-automatique à deux sens de marche On veut démarrer un moteur asynchrone triphasé dans deux sens de rotation, par un bouton poussoir S1 pour le sens 1, par un bouton poussoir S2 pour le sens 2 et un bouton poussoir S0 pour l’arrêt. KM1 : Sens direct (1) KM2 : Sens inverse (2) Figure (2.17): Démarrage direct semi-automatique à deux sens de marche 37 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones 2.5.2 Action sur la tension d’alimentation au stator La réduction du courant dans un enroulement est dans le même rapport que celle de la tension d’alimentation du même enroulement. La réduction de couple est proportionnelle au carré de la tension. Exemple : Une réduction dans le rapport √3 de la tension d’un enroulement entraîne : - une réduction dans le rapport √3 du courant de l’enroulent - une réduction dans le rapport 3 du couple moteur Dans ces conditions, ce type de démarrage est essentiellement réservé aux moteurs démarrant à très faible charge, voir à vide. Figure (2.18): courbe couple-vitesse pour valeurs différentes de la tension statorique. La figure ci-dessus montre l’évolution de la courbe couple-vitesse pour deux valeurs différentes de la tension d’alimentation du moteur. Le couple maximum délivré par le moteur étant proportionnel au carré de la tension d’alimentation, toute diminution de celle-ci entraîne une diminution du couple moteur. Par conséquent, un démarrage sous tension réduite ne peut s’appliquer qu’à des machines centrifuges, c’est à dire des machines dont le couple résistant au démarrage est plus faible que le couple résistant en régime nominal. Le démarrage par action sur le stator qui consiste à réduire la tension aux bornes des enroulements statoriques, peut réaliser le démarrage par: 38 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones Couplage étoile-triangle, Élimination des résistances statoriques, Utilisation d’un auto-transformateur. Ce type d’action est utilisé pour les moteurs à moyennes puissances. 2.5.2.1 Démarrage Étoile-Triangle Ce procédé n’est possible que pour les moteurs asynchrones triphasés destinés à fournir leur puissance nominale sous la tension du réseau, lorsque ses enroulements sont couplés en triangle. Il consiste à démarrer le moteur dans le 1er temps en couplant ses enroulements en étoile pendant le démarrage, puis à rétablir dans 2eme temps le couplage en triangle, ce qui revient à diviser la tension nominale du moteur en étoile par √3. La pointe de courant de démarrage est réduite de 3 fois. Id = (1,5 à 2,6) In (2.4) Cd = (0,2 à 0,5) Cn. (2.5) Ainsi que le couple : Ce procédé ne convient qu’aux moteurs démarrant à vide ou faiblement chargés, et ne peut s’appliquer donc 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 nominale du réseau. Exemples : - Pour un réseau 133/230V : moteur 230V / 400V Pour un réseau 230/400V : moteur 400V / 690V Figure (2.19): Schéma de couplage des enroulements statoriques :1- Étoile Y, 2-Triangle () 39 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones - En 1er temps : à la mise sous tension, les enroulements statoriques du moteur sont couplés en étoile. Ainsi, le couple de démarrage est divisé par 3 et l’appel de courant par 3 . -En 2ème temps : les enroulements statoriques sont couplés en triangle, le moteur fonctionne sur ses caractéristiques naturelles. La valeur de la vitesse angulaire, à l’instant où le basculement du couplage étoile vers le couplage triangle a lieu, est d’une grande importance : - si cette vitesse est trop faible l’appel de courant est très important, - si cette vitesse est trop proche de la vitesse de synchronisme le moteur risque de caler ( si Cmoteur < Crésistant). Figure (2.20):caractéristiques du couple et du courant pour démarrage Étoile –Triangle. a- Schéma fonctionnel Le schéma ci-dessous représente le schéma fonctionnel du mode de démarrage étoile-triangle d’un moteur asynchrone triphasé. 40 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones Figure( 2.21): Schéma fonctionnel de démarrage étoile-triangle d’un moteur asynchrone triphasé. b- Schéma de puissance et de commande Les circuits de puissance et de commande du démarrage étoile-triangle est représenté par la figure ci-dessous : On dispose pour ce démarreur de trois contacteurs : KM1 qui couple le moteur en étoile au début du démarrage, KM3 qui le couple en triangle à la fin du démarrage et KM2, contacteur de ligne, dont le rôle est de commander le moteur. Figure (2.22): Schémas de puissance et de commande du démarrage étoile-triangle. 41 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones c- Principe de fonctionnement - 1er temps : Nous devons alimenter le moteur à l’aide de KM2 tout en le couplant en étoile à l’aide de KM1. - 2ème temps : Nous maintenons l’alimentation du moteur par le biais de KM2, KM1 est replacé par KM2 qui assure le couplage du moteur en triangle. Chaque enroulement doit alors se retrouver entre deux phases différentes Séquence : 1. Fermeture manuelle de Q1 2. Impulsion sur S1 : Alimentation de KM1 fermeture de KM1 (couplage étoile) Fermeture de KM1 : alimentation de KM2 : le moteur tourne Auto-alimentation de KM1 et de KM2 par KM1 Ouverture de KM1 par KM2 temporisé : élimination du couplage étoile Alimentation de KM3 Fermeture de KM3 par KM1 : couplage triangle Arrêt : impulsion sur S2 d- Courbes caractéristiques La figure ci-dessous montre les différentes caractéristiques du couple et du courant du mode démarrage étoile-triangle. Figure (2.23): Courbes caractéristiques du démarrage étoile triangle. 42 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones On constate que le couple et l’intensité au démarrage sont réduits d’environ 3 fois par rapport à un démarrage direct. En raison de la diminution sensible du couple de démarrage le moteur ne peut pas démarrer en charge. En il y a coupure de l’alimentation entre les positions étoile et triangle. e- Démarrage étoile-triangle semi-automatique à deux sens de marche Figure (2.24): Circuits de puissance et de commande de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche 43 Chapitre 2 f- Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones Avantages et inconvénients Les avantages et les inconvénients d’utilisation du mode de démarrage étoile-triangle d’un moteur asynchrone triphasé sont : - Avantages - Réduction du courant de démarrage, - Faible complication d’appareillage, - Bon rapport couple/courant. - Inconvénients - Couple très réduit. - Coupure d’alimentation lors du passage étoile-triangle.- Temps de démarrage plus élevé.- Phénomènes transitoires. - Condamnation (verrouillage) électrique entre KM1 et KM3.Le temporisateur est muni d’un contact décalé d’environ 3 (s) ; ceci évitera un court-circuit éventuel lors de communication étoile-triangle. 2.5.2.2 Démarrage par résistances statoriques Dans ce cas, l’alimentation du moteur se fait sous tension réduite en insérant des résistances en série avec les enroulements statoriques, qui sont éliminées à la fin de démarrage, puis le moteur est couplé directement au réseau ;cette opération est assurée par une temporisation Pendant le démarrage la tension aux bornes du moteur est réduite par rapport à la tension du réseau cette tension augmente au fur et mesure que la chute de tension aux bornes de la résistance insérée diminue (cette dernière est proportionnelle au courant de démarrage) cette résistance est calculée en fonction de la pointe de courant à ne pas dépasser ou la valeur minimale du couple de démarrage nécessaire (en tenant compte du couple résistant de la machine à entrainer En générale, les valeurs du courant et du couple de démarrage sont: Id= 4,5In (2.6) Cd= 0,75Cn. (2.7) 44 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones a- Schémaa fonctionn nel Le schémaa ci-dessouss montre le schéma foonctionnel du d mode dee démarrag ge par résisttances statoriqques d’un moteur m asyncchrone triphhasé. Figure (2.25): ( Schém ma fonctionn nel de démarrrage par réssistances statoriques d’u un MAS b- Circuitss de puissan nce et de co ommande: Le schéma de puissannce et de coommande du d démarragge par résisttances stato oriques est donné par la fiigure ci-desssous : On disposee donc de deux d contaccteurs KM11 et KM2 et e de trois résistances r RU, R RV ett RW. KM1 est e le contaccteur de liggne, KM2 a pour foncction de court-circuiterr les résistaances une fois f le moteur démarré. F Figure (2.26) 6): Circuits de d puissance et de commaande du dém marrage par rrésistances statoriques. s 45 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones Lors du démarrage résisstif on insèree des résisttances en séérie avec less enroulemeents statoriq ques ce qui a pour effet de limiter la tension à leurs bornees, une fois le l démarragge effectué on o court circcuite ces résistances, cettte opérationn peut être effectuée e prrogressivem ment par un oopérateur à l’aide de rhéostatts de démarrrage. En revanche,, l'éliminatioon de la résistance en fin f de démarrage se faitt sans qu'il y ait interruuption de l'alim mentation duu moteur, donc d sans ph hénomène transitoire. t c- Princippe de fonctioonnement 1er temps : Il faut daans un prem mier alimennter le moteeur à traverrs les trois résistances. Seul KM1 est uttilisé. 2ème tempss : Il faut ennsuite, tout en e continuaant d’alimennter le moteeur à l’aide de KM1, utiliser u KM2 pour éliminer less trois résisttances du ciircuit de puissance d- Courbees caractériistiques La figure ci--dessous montre m les différentes d c caractéristiq ques du couuple et du courant c de mode p résistan nces statoriqques: démarraage semi-auutomatique par Figuree (2.27): Courbes caracttéristiques de d démarragee par résistannces statoriq ques. La caractérristique de couple est sensiblemeent identiquue à celle oobtenue aveec un démaarrage étoile trriangle. Par contre le coourant au moment m du ddémarrage reste élevé. 46 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones e- Avantages et inconvénients Les avantages et les inconvénients d’utilisation le mode de démarrage par résistances statoriques d’un moteur asynchrone triphasé sont données comme suit: - Avantages Pas de coupure d’alimentation pendant le démarrage, Forte réduction des pointes de courant transitoires (à ne pas confondre avec courant de démarrage). Possibilité de réglage des valeurs au démarrage. - Inconvénients Faible réduction de la pointe au démarrage. Nécessite des résistances. Une chute de tension importante aux bornes du moteur et par conséquent diminution du couple de démarrage. Perte de puissance dans les résistances. f- Démarrage par élimination de résistances statoriques à deux sens de marche Figure (2.28): Circuit de puissance de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche 47 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones Figure (2.29): Circuit de commande de démarrage étoile-triangle à deux sens de marche 2.5.2.3 Démarrage par autotransformateur Le moteur est alimenté sous tension réduite par l’intermédiaire d’un autotransformateur. Ce dernier est alimenté par la tension du réseau au primaire, l’autotransformateur est mis hors tension à la fin du démarrage. Cette opération s’effectue en trois temps :-Le premier temps: L’autotransformateur est d’abord couplé en étoile, puis le moteur est couplé au réseau à travers ses enroulements. Le démarrage est réalisé sous une tension réduite qui est fonction du rapport de transformation. L’autotransformateur est choisi de façon à ce que la tension réduite soit la mieux adaptée (suffisante pour démarrer le moteur).-Le deuxième temps: Avant de passer au couplage plein charge, le couplage en étoile est ouvert. La fraction de bobinage constitue une inductance en série avec le moteur. Le troisième temps: Le couplage plein tension intervient après le deuxième temps, généralement très court (fraction de seconde). Les inductances en série avec le moteur sont court-circuitées ; puis l’autotransformateur est mis hors circuit. Le courant et le couple de démarrage varient dans la même proportion, ces derniers sont divisés par ². Ur : la tension de réseau [V], Ured : la tension réduite [V]. Les valeurs obtenues sont les suivantes : Id = (1,7 à 4) In (2.8) Cd = (0,5 à 0,85)Cn (2.9) 48 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones Ce mode de d démarragge est génééralement utilisé u pour les moteurrs asynchro ones triphassés de puissannce supérieuur à 100 kW W; a- Schém ma fonctionn nel Le schéma ci-dessous représente le schéma fonctionneel de démarrrage par au utotransform mateur d’un mooteur asynchrone triphaasé. Figuree (2.30): Schééma fonctionnnel de démaarrage par autotransform mateur d’un MAS. b- Circuitts de puissaance et de commande Les schém mas de puissance et de commaande du déémarrage ppar autotran nsformateurr sont représen ntés par la ffigure ci-dessous: Figgure (2.31): Schéma de puissance p duu démarragee par autotraansformateurr. Ce mode de démarraage est surrtout utiliséé pour les fortes puiissances ett conduit à coût de l’insstallation rellativement élevé, surtoout pour la cconception de l'autotraansformateu ur Au momeent de démarraage, la tensiion est réduuite au moyeen d’un autootransformaateur. 49 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones 1er temps : Autotransformateur en Y le moteur est alimenté à tension réduite. 2ème temps : Ouverture du point Y, seul la self de la partie supérieure de l’enroulement limite le courant. 3ème temps : Alimentation du moteur sous pleine tension. c- Avantages et inconvénients Nous citons les avantages et les inconvénients d’utilisation du mode de démarrage par autotransformateur d’un moteur asynchrone triphasé. - Avantages Possibilité de choisir le couple de décollage Réduction de l’appel du courant. Démarrage en 3 temps sans coupure. - Inconvénients Prix d’achat élevé de l’équipement. Présente des risques sur le réseau perturbés. 2.5.3 Démarrage à tension nominale (démarrage rotorique) 2.5.3.1 Démarrage par action sur les résistances rotoriques Uniquement dans le cas des moteurs asynchrones à rotor bobiné, le démarrage peut s’effectuer en insérant des résistances en sérié avec le bobinage rotorique, tout en alimentant le stator sous la pleine tension de réseau. Le courant absorbé est sensiblement proportionnel au couple fourni ou très peu Supérieur. On obtient fréquemment des couples de démarrage égaux à 2,5fois le couple nominal (Cd < 2,5Cn) sans surintensité excessive. On peut encore réduire la surintensité en augmentant le nombre de démarrages. Les contacts glissants (bagues ou balais) permettant les connexions électriques des enroulements rotoriques couplés en étoile aux résistances. Ce démarrage consiste à alimenter le stator du moteur par la tension nominale et éliminer les résistances rotoriques en plusieurs temps (3 temps au minimum). On observons l’allure de la courbe couple-vitesse pour différentes valeurs de la résistance rotorique r. 50 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones - Si r = l, le couple de démarrage est égal au couple maximum, mais les performances du moteur en régime permanent sont altérées ; la vitesse du moteur est sensible aux variations du couple résistant . - Si r > l, on obtient une meilleur réduction du courant d’appel mais le couple de démarrage est inférieur au couple maximum. - Si r << l, c’est le cas du démarrage direct. Par conséquent, en démarrant à r = l puis en diminuant r, lorsque la vitesse angulaire augmente, on obtient : - un couple de démarrage maximum, - l’atténuation de l’appel de courant, C[Nm] - de bonnes performances en régime permanent. 3,5 Ra=0 Ohm 3,0 Ra= 2 Ohm 2,5 Ra=5 Ohm 2,0 Ra=10 Ohm 1,5 1,0 Ra= 20 Ohm C=f(n) 0,5 I [A] 0,0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 n(trs/min) 3,0 I = f(n) Ra=0 Ohm 2,5 Ra= 2 Ohm 2,0 1,5 Ra=5 Ohm Ra=10 Ohm 1,0 Ra= 20 Ohm 0,5 0,0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 n(trs /min) Figure (2.32-33): Le couple et courant en fonction de vitesse de rotation avec variation de Rd 51 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones a- Schémaa fonctionn nel Le schéma ci-dessouss représentee le schémaa fonctionneel modes dee démarrag ge par résisttances rotoriquues d’un mooteur asynchhrone triphaasé. Figure (2.34): Schééma fonctionnnel et étapess d’éliminatiion des résisstances rotorriques b- Circuitts de puissaance et de commande Les circuitts de puissaance et de commandee du démarrrage par rrésistances rotoriques semiautomattique sont rreprésentés par p la figuree ci-dessouss : Figure F (2.35) 5): Schémas de d puissancee et de comm mande du dém marrage parr résistances rotoriques. 52 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones Avec le démarreur retenu dans l’exemple ci-dessous, le moteur démarre en trois temps. On dispose donc de trois contacteurs : KM1 (le contacteur de ligne), KM11 et KM12 (qui court-circuitent les deux jeux de trois résistances rotoriques). c- Principe de fonctionnement - 1er temps : On alimente le moteur en limitant les courants rotoriques au maximum par insertion des deux jeux de résistances dans le circuit d’induit. Il faut donc alimenter KM1 seul. - 2ème temps : On élimine le premier jeu de trois résistances à l’aide u contacteur KM11. - 3ème temps : On élimine le deuxième jeu de trois résistances à l’aide du contacteur KM12. d- Courbes caractéristiques La figure ci-dessous représente les différentes caractéristiques du couple et du courant de mode démarrage par résistances rotoriques. Figure (2.36):Courbes caractéristiques de démarrage semi-automatique par résistances rotoriques. Le courant absorbé est sensiblement proportionnel au couple fourni ou très peu supérieur. Exemple : Pour un couple de démarrage Cd = 2,5 Cn. L’intensité sera sensiblement de 2 In : Id< 2,5In. On obtient fréquemment des couples de démarrage égaux à 2,5 fois le Cn sans surintensité excessive. On peut encore réduire la surintensité en augmentant le nombre de démarrage. Cd < 2,5 Cn 53 Chapitre 2 e- Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones Avantages et inconvénients : Nous citons quelques avantage et inconvénients d’utilisation du mode de démarrage par résistances rotoriques d’un moteur asynchrone triphasé. - Avantages - L’appel de courant est pour un couple de démarrage donné le plus faible par rapport tous les autres modes de démarrage. - Possibilité de choisir par construction, couple et le nombre de temps de démarrage. - Pas de coupure d’alimentation pendant le démarrage. - Inconvénients - Moteur onéreux et moins robuste. - Nécessite des résistances et des moteurs à rotor bobiné. 2.5.4 Démarrage électronique 2.5.4.1 Démarrage par gradateur (démarrage progressif) Les démarreurs progressifs sont des appareils de commande électronique conçus pour le démarrage progressif des moteurs asynchrones triphasés. Par le biais d’une commande en angle de phase, les trois phases du moteur sont influencées par des thyristors (Gradateur) de telle sorte que les intensités puissent augmenter constamment. Le gradateur est un dispositif qui permet à partir d’une source alternative de convertir une tension sinusoïdale de valeur efficace constante à une tension alternative de même fréquence mais de valeur efficace variable, c’est un interrupteur statique constitué de deux thyristors« tête-bêche » Pour la commande des puissances élevées ou un « triac » pour commande de faible puissances...Le couple du moteur se comporte de même manière au cours de l’accélération, ceci permet au moteur de démarrer sans secousse. On évite aussi la détérioration d’élément de commande en suppriment le couple au démarrage qui se manifeste brutalement dans le cas d’un enclenchement direct. Cette propriété permet de réduire les couts de fabrication des éléments du moteur. Quand le démarrage a réussi, les éléments de l’électronique de puissance sont shuntés aux éléments du moteur. La fonction d’arrêt progressif a pour le but de prolonger la durée naturelle de décélération des moteurs et éviter ainsi leur arrêt brutal. Le schéma ci-dessous représente démarrage par un convertisseur électronique (Gradateur) moteur asynchrone triphasé. Remarque : Pour atténuer les harmoniques indésirables, on utilise des filtres sélectifs accordés sur chaque harmonique à éliminer. 54 Chapitree 2 Caractéristiqques et dispossitifs de démaarrage des mo oteurs asynch hrones Figure ((2.37):gradaateur triphaséé alimentant un MAS aveec chronograammes des teensions a- Schémaa fonctionnell Le schémaa ci-dessouus montre le schémaa fonctionnnel du moode de dém marrage paar un converttisseur électtronique d’uun moteur asynchrone. F Figure (2.388): Schéma fonctionnel fo d d’un Démarreeur progressif d’un moteuur asynchron ne triphasé b- Princippe de fonction nnement La tension du réseau d’alimentaation est apppliquée proogressivemeent au statoor du moteuur .La variatioon de la tennsion statorriques est obtenue paar la variatiion continuue de l’ang gle α de rettard à l’amorççage des thhyristors du gradateur. La consigne de démarrage perm met de régller la pentee d’un signal en e forme dee « rampe »ccette consiggne est étaloonnée en seccondes. A lla fin du dém marrage, le stator du moteur est sous tension nominale, n lees thyristorss sont alors en plein conduction. Pour une charge c d démarragge, donc le temps t de mise m en donnée,, le réglage de la pentee permet de faire varierr la durée de vitesse progressivee de l’associiation moteu ur charge. Le phénom mène inverrse se prodduit lors d’un d arrêt progressif contrôlé. La consignne de 0 à 180° doonc U moteeur de Un à 0 v. décéléraation permeet de faire évvoluer l’anggle α des thyyristors de 0° 55 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones c- Avantages et inconvénients Les avantages et les inconvénients d’utilisation le mode de démarrage électronique d’un moteur asynchrone triphasé est donne comme suit: - Avantages La maîtrise des caractéristiques de fonctionnement, La protection thermique du moteur et du démarreur, Réduction des pointes de courant et diminution des chutes de tension en ligne, Démarrer progressivement les machines, Il permet décélération progressive, Réduction des couples au démarrage pour protéger la mécanique., Peu encombrant. Du point de vue économique, ce mode de démarrage est satisfaisant car son rendement est excellent. - Inconvénients Génère les perturbations, Ce procède est utilisé que pour l’entrainement de machines démarrant à vide, Utiliser des capteurs. 2.5.4.2 Démarrage par variateur de vitesse (Convertisseur de fréquence) pour moteur asynchrone Le variateur de vitesse pour moteur asynchrone reprend les mêmes principes de base que le variateur pour moteur à courant continu. L’apparition sur le marché de variateurs de vitesse économiques pour moteur asynchrone est assez récente. En France, Télémécanique été une des compagnies pionnières en la matière. L’évolution des technologies a permis la réalisation de variateurs économiques fiables et performants. a- Principe général Le convertisseur de fréquence, alimenté à tension et fréquence fixes par le réseau , assure au moteur, en fonction des exigences de vitesse, son alimentation en courant alternatif à tension et fréquence variables. Pour alimenter convenablement un moteur asynchrone à couple constant quelle que soit la vitesse, il est nécessaire de maintenir le flux constant. Ce ci nécessite que la tension et la fréquence évoluent simultanément et dans les mêmes proportions. 56 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones Figure (2.39): Schéma de principe d’un convertisseur de fréquence b- Description du fonctionnement La tension alternative monophasée ou triphasée du réseau est convertie en tension continue par l’intermédiaire du pont redresseur et des condensateurs de filtrage. Cette tension continue est alors découpée par un pont onduleur à transistors, pour donner une succession d’impulsions de largeur variable. L’ajustage de la largeur des impulsions et leur répétition permet d’ajuster l’alimentation du moteur en tension et en fréquence pour conserver un rapport U/f constant afin de maintenir le flux désiré dans le moteur. L’inductance du moteur réalise un lissage du courant. La commande de la modulation est réalisée par un microprocesseur est un ASIC (application specific integrated circuit; circuit intégré pour application spécifique). La détermination de la modulation dépend des tensions et fréquences, donc des vitesses demandées. En sortie. c- Avantages et inconvénients Les avantages et les inconvénients d’utilisation le mode de démarrage par convertisseur de fréquence d’un moteur asynchrone triphasé. - Avantages Le couple fourni autorise l’entrainement de toutes les machines. Le Convertisseur de fréquence autorise le fonctionnement du moteur les deux sens démarche et le freinage. Le Convertisseur de fréquence intègre la protection thermique du moteur et la protection contre les courts-circuits. - Inconvénients Prix d’achat élevé de l’équipement. L’échauffement les composants électroniques. L’échauffement des moteurs entrainés (les harmoniques). La fréquence de sortie peut être supérieure à la fréquence d’alimentation. 57 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones 2.5.5 Comparaison des divers procédés de démarrage Moteur à Moteur à rotor en court-circuit Démarrage Courant de démarrage Couple initial de démarrage Direct Etoile/triangle 4 à 8 In 1,3 à 2,6 In 0,6 à 1,5 Tn 0,2 à 0,5 Tn Simple, économique et robuste rotor bobiné Electronique progressif Réglable de 2 à 5 In Réglable de 0,1 à 0,7 Tn Statique (pas de pièces en mouvement) Couple de démarrage important Démarrage peu onéreux < 2,5 In < 2,5 Tn Réglable à la mise en service Peu encombrant Avantages Rotorique Adaptable à tous les cycles de fonctionnement Très bon rapport couple/courant Possibilité de réglage des valeurs au démarrage Pas de coupure d’alimentation pendant la phase de démarrage Démarrage en souplesse Couple de démarrage faible Pas de possibilité de réglage Inconvénients Pointe de courant importante Démarrage brutal Durée de démarrage Exemples d’application 2 à 3 secondes Petites machines pouvant démarrer à pleine charge Coupure de l’alimentation du moteur au changement de couplage et phénomènes transitoires 3 à 7 secondes Machines démarrant à vide ou à faible charge Machines ayant un couple résistant proportionnel au carré de la vitesse (ventilateur) Moteur plus onéreux Génère des perturbations sur le réseau Réglable de 1 à 60 secondes Nécessite des résistances Entretien des balais de commutation Fonction de la valeur des résistances Pompes Ventilateurs Compresseurs Machines démarrant en charge ou à démarrage progressif Convoyeurs 58 Chapitre 2 Caractéristiques et dispositifs de démarrage des moteurs asynchrones 2.6 Conclusion Toute machine électrique fonctionnant en moteur cause de problèmes lors de sans démarrage. Ce phénomène (démarrage) est considéré comme un régime transitoire dans le fonctionnement dynamique des moteurs électriques en charge. Alors l’étude et l’évaluation de ses effets sont une nécessité pour le bon fonctionnement de toute l’installation. Les moteurs triphasés asynchrones possèdent plusieurs procédés de démarrage selon leur type, construction, et alimentation. Dans ce chapitre nous avons exposé une étude détaillée sur les déférents types de démarrage des moteurs asynchrones triphasés, et les différents appareillages employés dans les circuits de commande et de puissance afin d’assurer la commutation, la protection et la commande dans de bonnes conditions de travail de ces moteurs. Nous avons également cité les avantages et les inconvénients de chaque procédé et leurs différentes applications. 59 60 Conclusion générale CONCLUSION GENERALE Les entrainements électriques à vitesse variable utilisent de plus en plus les moteurs asynchrones, grâce à leurs robustesses, puissance massique et faible cout. L’étude des machines asynchrones, leurs démarrages, la maintenance, et le diagnostic de ces entrainements sont de nos jours un enjeu économique. La machine asynchrone triphasée, c’est la solution technologique et économique lorsque la vitesse d’entrainement du récepteur mécanique doit rester quasiment constante malgré les variations du couple résistant. Cette machine robuste nécessite très peu d’entretien et sa durée de vie est presque illimitée. Dans ce mémoire nous avons mené une étude sur les procédés de démarrage des moteurs asynchrones. Un ensemble de techniques de démarrage permet un raccordement aisé au réseau d’énergie électrique tout en limitant le courant d’appel et en fournissant le couple électromagnétique nécessaire à l’accélération de l’arbre moteur, nous avons trouvé que chacun entre ces démarrages a des avantages comme il a des inconvénients et des conditions (limites) d’application. De nos jours, pour des raisons d’économie d’énergie, la machine asynchrone triphasée est devenue la machine la plus employée dans l’industrie grâce au développement de l’électronique de puissance. Les entrainements à vitesses variables avec des convertisseurs statiques est devenu incomparable, ces convertisseurs offrent un démarrage simple et en souplesse avec progression de la tension d’alimentation (avec gradateur ou onduleur). 61 62 Références Bibliographiques Références bibliographiques [01] Etienne Gaucheron, « Les moteurs électriques … pour mieux les piloter et les protéger », Cahier technique 207, SchneiderElectric, 2004. [02] « Le moteur asynchrone triphasé», Sciences de l’ingénieur en S, Académie Caen. [03] « Machine asynchrone », file:///G:/Machine_asynchrone.htmUn wikipédia, l’encyclopédie libre. [04] SAID Adel et JEMAI Yassine, Document «Support de cours: Installations industrielles », Institut Supérieur des Etudes Technologiques de Nabeul, 20132014. [05] HAMI Lekhmissi et ROUIBI Ramzi, «Etude, caractérisation et commande d’une MAS », Mémoire Présenté en vue de l’obtention du diplôme de MASTER en commande électrique, Université Badji Mokhtar ANNABA, Juin 2018. 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