S2.3 FORCE MOTRICE
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CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP S2.3 FORCE MOTRICE 1 ) MOTEURS A COURANT CONTINU 1.1)Constitution 1.2) Moteur à courant continu à excitation séparée 1.3)Moteurs à courant continu à aimant permanent 1.4)Freinage 2 ) MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASES 2.1) Généralités 2.2) Plaque signalétique 2.3) Câblage du moteur 2.4) Le départ moteur 2.5) Limitation du courant de démarrage 3) MOTEURS ASYNCHRONES MONOPHASES 4) MOTEUR UNIVERSEL 5) MACHINE SPECIALE – MOTEUR BRUSHLESS Savoir S2.3 S3.1 S3.2 S6.1 Niveau de Maîtrise 2 3 3 2 3 27/07/13 page 1 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP FICHE CONTRAT Capacités C1 S’INFORMER C3 COMMUNIQUER Savoirs associés Nom : COURS FORCE MOTRICE Prénom : THEME : FORCE MOTRICE Salle : Fonctions Compétences Organisation C1-2 : Associer les éléments réels d’une installation aux symboles graphiques normalisés. C1-8 : Identifier et repérer dans les ressources documentaires les procédures normatives qui permettent la mise en service d'une installation Mise en Service Organisation C3-2 : Signaler les difficultés rencontrées dans l'exécution de la tâche C3-4 : Rendre compte oralement ou par écrit S2.3 : Force Motrice S3.1 : Canalisations Electriques S3.2 : Appareillage basse tension S3.2 : Commande Coupure Sectionnement S3.2 : Conversion, Variation de Vitesse S6.1 : Descripteurs MISE EN SITUATION La transformation de l'énergie électrique en énergie mécanique est une activité assez peu répandue sur les chantiers d'électricité générale, mais qui occupe une bonne partie des entreprises spécialisées dans l'électricité industrielle. La mise en œuvre des installations de motorisation n'est pas faite au hasard et répond à des critères de choix et de câblage stricts répondant aux exigences de la Norme NFC15-100 . Ce cours va vous permettre de découvrir les principe de mise en œuvre des matériels de motorisation électrique. 27/07/13 page 2 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 1) MOTEURS A COURANT CONTINU 1) Constitution Le moteur à courant continu fonctionne sur le principe de la loi de Laplace. L’inducteur crée un champ magnétique dans les pôles principaux. On fait circuler un courant dans l’induit, celui-ci entre en rotation. Le courant circule dans l’induit grâce à des balais en carbone. 27/07/13 page 3 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP Ces contacts glissants doivent être entretenus. Ils constituent des éléments faibles (usure, arc électrique …) dans le moteur. Les enroulements (inducteurs ou induits) peuvent se brancher en série ou séparément. Les inducteurs peuvent être constitués d’aimants permanents. 1 : culasse ou carcasse 10 : porte-balais 2 : pôles principaux 11 : support des porte-balais 3 : pôles auxiliaires 12 : flasques 4 : induit (rotor) 13 : flasques 5 : arbre 14 : bobines de l’inducteur 6 : paliers à roulement à bille 15 : bobine des contacts auxiliaires 7 : paliers à roulement à bille 16 : bobinage 8 : connecteur 17 : ventilateur 9 : balais 18 : plaque à bornes 27/07/13 page 4 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 2) Moteur à courant continu à excitation séparée Il possède une grande plage de variation de vitesse associée à un bon couple de démarrage. Sa vitesse est assez stable lors des augmentations de charge. On utilise essentiellement ces machines en traction, sur les machines outils et surtout sur les équipements qui nécessitent un contrôle de vitesse. Machine à couple constant Machine à puissance constante La tension U aux bornes de l’induit est rendue variable après le démarrage. Le flux reste constant. Une fois le démarrage effectué, la tension U aux bornes de l’induit ne varie pas. Le flux varie grâce à Re. La vitesse est variable et le couple reste constant. La vitesse varie, la puissance reste constante. B est une bobine de sécurité à minimum de courant : elle coupe le courant dans la machine pour éviter un risque d’emballement (i trop petit). La modification du sens de rotation est obtenue en inversant le sens du courant soit dans l’induit soit dans l’inducteur (à l’arrêt ! ! !) Ne pas oublier les protections électriques : - contre les court-circuits (relais magnétique) contre les surcharges (relais thermique) contre les survitesses (relais à minimum de courant dans l’inducteur) 27/07/13 page 5 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP Les progrès réalisés dans le domaine de l’électronique permettent le plus souvent de commander ces moteurs avec des dispositifs électroniques : les variateurs de vitesse. Le moteur à courant continu est piloté par un système électronique : une dynamo tachymétrique contrôle la vitesse. Un réducteur peut adapter la vitesse à la machine entraînée. La fixation du moteur peut se faire avec des brides ou des pattes. 27/07/13 page 6 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 3) Moteurs à courant continu à aimant permanent Les enroulements inducteurs peuvent être remplacés par des aimants permanents. Plus simples de construction, ce moteur ne peut plus s’emballer. Il ne reste plus que le circuit électrique de l’induit. Le moteur à entrefer plat (moteur plat) a très peu d’inertie. Il peut tourner à très grande vitesse (3000 tr/min). Il est très doux et s’use peu. 27/07/13 page 7 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 4) Freinage Il est souvent indispensable , pour positionner l’arbre avec précision ou pour immobiliser une charge de freiner la machine. Le freinage par contre-courant inverse le courant dans l’induit (en contrôlant l’intensité). Il faut éviter de démarrer à l’envers, c’est le rôle de l’électronique. Le freinage rhéostatique transforme le moteur en génératrice. La charge entraîne la machine qui débite dans des résistances, provoquant un couple résistant qui freine (l’énergie est perdue). Dans le freinage par récupération, l’énergie fournie par le moteur transformé en générateur est injectée sur le réseau par un variateur électronique réversible (la charge est entraînante) Un dispositif appelé électro-frein, ou frein à manque de courant apparenté à un frein à disque bloque l’arbre en l’absence de courant électrique (palan, grue…) En résumé : Les enroulements (inducteurs ou induits) peuvent se brancher en série ou séparément Les inducteurs peuvent être constitués d’aimants permanents Le moteur possède une grande plage de variation de vitesse associée à un bon couple au démarrage. Sa vitesse est stable lors des augmentations de charge. Ce sont des machines réversibles qui peuvent fonctionner en moteur ou en générateur (exemple d’une génératrice qui débite dans une charge pour générer un couple de freinage) La génératrice tachymétrique produit un courant continu qui permet la régulation de la vitesse (régulateur de vitesse) 27/07/13 page 8 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 2) MOTEURS ASYNCHRONES TRIPHASES 1) Généralités C’est le moteur le plus utilisé. Il transforme l’énergie électrique en énergie mécanique. Il est simple et robuste (pas de connexion sur le rotor). Rotor en cage d'écureuil 27/07/13 page 9 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 2) Plaque signalétique C’est la carte d’identité du moteur avec l’essentiel de ses caractéristiques 1. Type de moteur MOT 3 : Moteur triphasé LS : série 315 : hauteur d'axe N° : numéro de série du moteur Kg : masse du moteur 2. Environnement IP 55 : Indice de protection cl. F : classe d'isolation 40 °C : température d'ambiance maximale de fonctionnement S1 % : Service – facteur de marche c/h : nombre de cycle par heure 3. Caractéristiques électriques V : tension d'alimentation Hz : Fréquence d'utilisation min-1 : nombre de tours par minutes KW : puissance nominale cos : Facteur de puissance A : Intensité nominale 27/07/13 page 10 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 1 : fixation des paliers 6 : couvercle de plaque à bornes 2 : roulement à billes 7 : carter du ventilateur 3 : couvercle de palier 8 : ventilateur 4 : flasque palier 9 : rondelle élastique 5 : plaque à bornes 27/07/13 page 11 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 3) Câblage du moteur On a besoin d’un câble à 4 conducteurs : 3 phases et la terre. On ne branche pas le neutre, donc pas de conducteur bleu ! Les 3 enroulements sont connectés sur une plaque à 6 bornes, 2 par enroulement. On peut coupler les enroulements en étoile Y ou triangle . Mais comment choisir ? C’est simple, il faut regarder la tension composée du réseau et la tension de fonctionnement du moteur (sur la plaque signalétique) Couplage étoile Y : les enroulement supportent la tension simple V La tension du réseau est égale à la tension de fonctionnement la plus haute du moteur 27/07/13 page 12 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP Couplage triangle : les enroulement supportent la tension composée U La tension du réseau est égale à la tension de fonctionnement la plus basse du moteur Exemples Réseau triphasé 400V – Moteur 230 / 400V Couplage Y Réseau triphasé 400V – Moteur 400 / 690 V Couplage Réseau 400V – Moteur 230/400V Couplage Y Réseau 127 / 230 V – Moteur 230 / 400 V Couplage Réseau triphasé 127 / 230 V – Moteur 400 / 690 V Impossible 27/07/13 page 13 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 3) Le départ moteur Le départ moteur réunit toutes les fonctions de sécurité, de protection et de commutation. Dans les moteurs triphasés, l’intensité de démarrage est très élevée (entre 3 et 8 fois In). Pour les gros moteurs, cela crée des perturbations importantes sur le réseau, comme une chute de tension par exemple. Les autres équipements peuvent en souffrir. C’est pourquoi la chute de tension maximale autorisée sur le réseau est de 5% en triphasé La solution de base la plus utilisée est : - Sectionnement (sectionneur) – Protection contre les court-circuits (cartouches fusibles de type aM adaptées à la puissance moteur) - Protection contre les surcharges (relais thermique) - Commutation (contacteur moteur) 27/07/13 page 14 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP Mais il existe d’autres solutions : Solution comprenant : 1) un sectionneur disjoncteur protégeant contre les courts-circuits à l’aide d’un relais magnétique 2) un contacteur pour assurer la commutation 3) un relais thermique pour assurer la protection contre les surcharges Solution comprenant : 1) un disjoncteur moteur assurant les fonctions de sectionneur, de disjoncteur (ou des fusibles) pour les court-circuits et la protection thermique à la place du relais thermique 2) un contacteur pour assurer la commutation 27/07/13 page 15 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP Solution comprenant : - un appareil intégral, qui assure toutes les fonctions. Certaines parties sont débrochables et interchangeables pour l’adapter en calibre. 27/07/13 page 16 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 5) Limitation du courant de démarrage Dès que la puissance du moteur prend de l’importance, l’intensité, la chute de tension et la brutalité du démarrage imposent un système de réduction de l’intensité Nous allons voir les deux plus courants : 5.1) le démarrage étoile-triangle Le moteur doit pouvoir accepter en couplage triangle la tension composée du réseau. En couplant en étoile le moteur au moment du démarrage, le moteur se trouve sous-alimenté. L’intensité est réduite de 33% ainsi que le couple moteur qui se trouve ainsi affaibli. La machine doit donc démarrer à vide (ou avec un faible couple résistant tel que les pompes). On constate une coupure de l’alimentation au changement de couplage. Schéma de la puissance du démarrage étoile triangle KM1 : Etoile KM2 : Ligne KM3 : Triangle Un verrouillage électrique et mécanique doit être associé à KM1 et KM3 27/07/13 page 17 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP Schéma de la commande du démarrage étoile triangle 27/07/13 page 18 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 5.2) Le démarrage électronique Il est progressif, évite les « à-coups » dans la machine et contrôle l’intensité du moteur ; c’est un gradateur. Il est aussi un ralentisseur. Différentes solutions de câblage existent, avec ou sans contacteur. De même que pour les moteurs à courant continu, des variateurs de vitesse permettent la commande en vitesse variable des moteurs triphasés à courant alternatif. Les mêmes dispositifs de freinage existent. 27/07/13 page 19 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 3) LE MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASE Un moteur asynchrone monophasé peut être équipé d’un condensateur supplémentaire pour augmenter le couple de démarrage. Ce condensateur est placé en série avec un contact centrifuge qui s’ouvre lorsque la vitesse est suffisante, éliminant ainsi le condensateur. 27/07/13 page 20 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 4) LE MOTEUR UNIVERSEL C’est le moteur utilisé dans les aspirateurs, perceuses à main, rasoirs, petit électroménager… En alternatif, la polarité de la source électrique change, les pôles magnétiques des inducteurs changent ainsi que le sens du courant électrique dans l’induit. La force résultante ne change donc pas de sens, le sens de rotation non plus. Moteur de machine à laver le linge Toutefois, le courant absorbé, le couple du moteur et son rendement sont bien plus faibles qu’en continu. Des étincelles sur le collecteur produisent un échauffement. Par ailleurs la vitesse du moteur universel varie fortement en fonction de la charge. Moteur d’aspirateur Enfin, pour inverser le sens de rotation du moteur, il faut changer le sens du courant, soit de l’induit, soit de l’inducteur. 27/07/13 page 21 / 22 CAP II PROELEC S2.3 FORCE MOTRICE CFA Lycée Gustave EIFFEL RNCAP13-S2-3-FORCE-MOTRICE-APP 5) MACHINE SPECIALE – MOTEUR BRUSHLESS Les moteurs à courant continu permettent des réglages faciles de vitesse et de couple avec les inconvénients de maintenance (balais) , d’inertie et d’échauffement. Le moteur brushless (sans balais) possède un inducteur tournant constitué d’aimants permanents et de tôles sans balais. Le stator est constitué d’enroulements triphasés connectés en étoile. Le stator est alimenté par un variateur électronique de fréquence piloté par un capteur de position et de vitesse du rotor. Ce moteur est très fiable. Son inertie est faible et le rend adapté à l’asservissement de position, à la commande d’axe. 27/07/13 page 22 / 22
