Partie A : Moteur asynchrone triphasé

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE
Session 1998
PHYSIQUE APPLIQUÉE
Série
Spécialité
Sciences et Technologies Industrielles
Génie Électrotechnique
Durée de l'épreuve : 4 heures
coefficient : 7
L'usage de la calculatrice est autorisé.
Le sujet comporte 7 pages numérotées de 1 à 7 ; les documents-réponses
pages 5, 6 et 7 sont à rendre avec la copie.
Le sujet est composé de trois parties pouvant être traitées de façon
indépendante.
Partie A : Moteur asynchrone triphasé
La plaque signalétique d'un moteur asynchrone porte les indications suivantes :
5,0 kW
230V/400V 50Hz
18,7 A /10,8 A
1460 tr/min cos = 0,80
I-
Étude préliminaire
1)
On dispose d'un réseau triphasé 230 V /400 V, quel couplage faudra-t-il réaliser ?
Les bornes des enroulements sont représentées sur le document-réponse figure 1 page 5.Indiquer la
position des lames de connexion qui réaliseront ce couplage et placer les conducteurs qui permettront
le raccordement du moteur au réseau sur cette figure.
2)
Indiquer la valeur efficace de l'intensité du courant nominal qui traverse un enroulement.
3)
Indiquer la fréquence de synchronisme et le nombre de paires de pôles.
4)
Calculer le moment du couple utile nominal TuN et le glissement nominal gN.
5)
Calculer le rendement du moteur pour le fonctionnement nominal.
II-
Étude expérimentale
On dispose seulement des appareils de mesures suivants :
Wattmètres monophasés : calibres intensité : 1 A; 5 A
calibres tension : 48 V; 120 V; 240 V; 420 V
Voltmètres : calibres : 20 V; 200 V; 750 V; positions AC et DC.
Arnpèremètres : calibres : 1 A; 2 A; 5 A; 15 A; positions AC et DC.
1)
Mesure de la résistance d'un enroulement à la température de fonctionnement nominal
Résultats obtenus : résistance R d'un enroulement du moteur : R = 0,94.
Pour mesurer la résistance d'un enroulement on dispose de deux alimentations réglables de 0 à 120V 15 A; L'une continue, L'autre alternative.
a) Compléter le document-réponse figure 2 page 5 en utilisant le matériel disponible convenable.
b) Indiquer pour chaque appareil, le calibre choisi, la position du commutateur AC-DC et la valeur
lue.
2)
Essai à vide
Résultats obtenus : Tension entre deux phases U = 397 V;
Intensité du courant en ligne Io = 3,90 A;
Puissances affichées par les wattmètres : P, = 1,04 kW; P2 = - 0,48 kW.
A vide le moteur tourne pratiquement à la fréquence de synchronisme.
On mesure la puissance absorbée par le moteur en utilisant deux wattmètres.
a) Faire le schéma du montage de principe complet sur le document-réponse figure 3 page 5.
b) Indiquer les calibres choisis et la position des commutateurs AC-DC.
c) Déterminer la puissance Pa0 absorbée à vide par le moteur et le facteur de puissance cos0 à vide.
III-
Essai en charge
.,
Le couple utile nominal est TuN = 32,7 N.m. On admet que la partie utile de la caractéristique mécanique de
couple Tu = f(n) est une droite (n est la fréquence de rotation).
1)
Tracer la partie utile de cette caractéristique sur le document-réponse figure 4 page 6.
2)
Déterminer la fréquence de rotation si le moment du couple utile prend la valeur 20 N.m
IV-
Variation de vitesse
On souhaite que le moment du couple utile conserve la valeur 20 N.m, mais avec une fréquence de rotation n =
1000 tr/min. Pour cela le moteur est alimenté par un onduleur qui réalise la condition U/f = constante. On sait que
dans ces conditions, la partie utile de la caractéristique mécanique reste parallèle à elle même pour différentes
valeurs de f.
Déterminer la nouvelle fréquence de rotation de synchronisme du moteur et en déduire la fréquence f et la valeur
efficace U de la tension composée que doit délivrer l'onduleur.
Partie B : Étude du capteur de vitesse
Aucune connaissance en optoélectronique n'est nécessaire pour traiter cette partie.
Pour mesurer la fréquence de rotation du moteur on utilise un capteur de vitesse relié au système d'acquisition de
données d'un ordinateur : voir figure 5 page 4.
Le capteur de vitesse est composé principalement d'une diode électroluminescente (DEL) et d'un phototransistor.
On rappelle que le phototransistor conduit si sa base reçoit un rayonnement infrarouge, l'intensité i est alors
positive.
Le rayonnement infrarouge fourni par la diode est focalisé sur l'axe de rotation du moteur sur lequel on a peint
quatre secteurs alternativement blancs et noirs. Les rayons réfléchis par les secteurs blancs de l'axe arrivent sur le
phototransistor placé dans le montage : voir figure 6 page 4.
1)
On a relevé la tension UCE représentée sur le document-réponse, figure 7 page 7. Calculer la valeur
maximale de l'intensité du courant qui traverse la résistance r du montage de la figure 5 page 4. On donne
r = 1,2 k.
2)
L'amplificateur opérationnel est alimenté en 0 V - 12 V (mono tension).
On considérera qu'il est parfait et que sa tension de sortie peut varier de 0 à 12 V.
a) Quel est le régime de fonctionnement de cet amplificateur opérationnel ? Pourquoi ?
Quel est le nom de ce montage ?
b) Sachant que Rl = 4,7 k., calculer la valeur de la résistance R2 qui permet d'obtenir
U2 = 6,5 V. On conserve cette valeur pour la suite.
c) Quelle est la valeur de l'intensité i2 du courant qui traverse la résistance R2 ?
d) Déterminer la valeur de la tension de sortie Us lorsque UCE > U2 puis lorsque UCE < U2
3)
Tracer la courbe Us = f (t) sur le document-réponse figure 8 page 7.
4)
Déterminer la fréquence du signal Us (t) et en déduire la fréquence de rotation du moteur. On rappelle que
l'arbre du moteur comporte 2 secteurs blancs.
Partie C : Moteur à courant continu
Les caractéristiques de l'induit du moteur à excitation indépendante et constante sont:
Tension nominale UN = 600 V.
Intensité nominale IN = 1,50 X 103A.
Fréquence de rotation nominale nN = 30 tr/min.
Résistance de l'induit Ra = 0,012.
L'induit du moteur est alimenté par un groupe convertisseur fournissant une tension réglable de 0 V à 600 V.
La réaction magnétique d'induit est parfaitement compensée.
La somme des pertes dans le fer et des pertes mécaniques, notée pc, est constante; pc = 25 kW.
L'inducteur est alimenté sous une tension UE = 600 V avec un courant d'excitation d'intensité IE constante;
IE=30A.
I-
Démarrage du moteur
Quelle tension faut-il appliquer à l'induit pour que l'intensité du courant absorbé au démarrage soit 1,3 IN ?
II-
Fonctionnement nominal
1)
Calculer la puissance totale absorbée par le moteur.
2)
Calculer la puissance perdue par effet Joule dans l'inducteur et dans l'induit.
3)
Calculer la puissance utile et le rendement du moteur.
4)
Calculer le moment du couple utile Tu et le moment du couple électromagnétique Tem.
III-
Fonctionnement à couple réduit constant
Le moment du couple électromagnétique est maintenant 2,50 x 104 N.m.
1)
L'intensité IE du courant d'excitation et la tension UN aux bornes de l'induit gardent leur valeur nominale.
a) Montrer que la force électromotrice E exprimée en volts et la vitesse de rotation angulaire  exprimée
en radians par seconde sont liées par la relation E = a; calculer la valeur numérique de a.
b) Quelle est l'intensité du courant absorbé par l'induit ?
c) Quelle est alors la nouvelle fréquence de rotation ?
2)
Quelle tension faut-il appliquer à l'induit pour que la fréquence de rotation reste égale à la fréquence de
rotation nominale nN ?
+ 12V
r
i
U CE
E
sy s tèm e
d a' cq u is i t io n
C
R1

+
i2
R2
U
2
o rd in a teu r
Us
figure 5
P ho to tran s is to r
D EL
a rb re
m o teu r
sec teu r no ir
sec teu r b lan c
figure 6
1
2
R E SEAU
1
3
N
2
3
N
Figure 1
Matériel disponible
Schéma du montage à réaliser
A
AC
DC
V
AC
DC
W
R E SEAU
E
1
Alimentation
stabilisée
continue réglable
A
AC
DC
V
AC
DC W
V
AC
DC
N
A
3
Alimentation
alternative
réglable
2
R E SEAU
L am e s d e conn ex ion d ispon ib le s
l'Ampèremètre indique : .........A
AC
DC
le voltmètre indique : ..........V
Figure 2
M a té r ie ld ispon ib le
3
2 1
A
M
3
AC
DC
V
C o rdon s d e sécu r ité
N
R E SEAU
W
M esu re d e
n
Figure 3
W
W
AC
DC
Document-réponse à rendre avec la copie
Tu(N.m)
30
20
10
n(tr/mn)
0
1000
Figure 4
1500
Document-réponse à rendre avec la copie
12
UCE(v)
8
4
t(ms)
0
0
10
20
30
40
50
60
Figure 7
14
US(v)
12
10
8
6
4
2
t(ms)
0
0
10
20
30
Figure 8
40
50
60