Moteur asynchrone

COURS TSI : CI-3 CORRIGÉ
E2 : STRUCTURE ET FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR ASYNCHRONE
1 PRÉSENTATION
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3 SYMBOLE
Le Moteur ASynchrone (MAS) est l'un des principaux actionneurs électriques utilisés dans
l'industrie. D'une puissance allant de moins d'un kiloWatt, à plusieurs dizaines de MW, les MAS
équipent la majorité des équipements suivants : machines-outils, monte-charges, tapis-roulants,
compresseurs de réfrigirateurs et congélateurs, machines à laver...
Le moteur asynchrone est utilisé quand on dispose d'une source d'alimentation alternative (réseau
EDF triphasé ou monophasé). Il est robuste et d'un entretien limité (pas de contact glissants). Ce qui
réduit l'usure et permet un fonctionnement sûr (sans étincelle).
M
3
4 RAPPELS SUR LE RÉSEAU TRIPHASÉ
Exemple d'un moteur asynchrone triphasé :
- Puissance utile : 7,6 kW
- Poids : 67 kg
- Longueur : 64 cm
- Diamètre : 31 cm
Le réseau triphasé est constitué de 3 phases, d'un neutre et d'une terre. La tension entre une des
phases et le neutre est appelée tension simple (230V efficace) alors que la tension entre deux phases
est appelée tension composée (400V). Les 3 tensions sinusoïdales de fréquence 50 Hz sont déphasées
de 120° (2π/3) les unes par rapport aux autres.
2 IDENTIFICATION DE LA FONCTION TECHNIQUE RÉALISÉE
Les MAS réalisent la fonction CONVERTIR de la chaîne d'énergie :
Grandeurs
physiques à
acquérir
Chaîne d'information
ACQUERIR
TRAITER
COMMUNIQUER
Consignes
Ordres
ALIMENTER
Energie
d'entrée
DISTRIBUER
CONVERTIR
TRANSMETTRE
ACTION
Chaîne d'énergie
Puissance
électrique
Puissance
mécanique
La puissance absorbée est de type électrique :
La relation entre valeur maximale Um (amplitude)
et la valeur efficace Ueff est :
La relation entre la tension simple Usim
et la tension composée Ucomp est :
Courant (I) et tension (U) alternatifs.
La puissance utilisable est de type mécanique (rotation) caractérisée par :
Le couple utile (Cu) et la vitesse de rotation (Ω)
Um = Ueff ×
2
Ucomp = Usim ×
3
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5 FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR ASYNCHRONE
5.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
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5.2 DÉFINITIONS / RELATIONS
5.2.1 VITESSE
Elle s'exprime soit en tours par minute (notée N en tr/min) soit en radians par seconde (notée Ω en
rd/s) :
Ω =N
2π
60
5.2.2 VITESSE DE SYNCHRONISIME Ns (ROTATION DU CHAMP TOURNANT)
C'est la vitesse de rotation du champ tournant qui entraîne le rotor :
Avec :
Ns : vitesse de synchronisme en tr/min
f : fréquence du réseau d'alimentation en Hz
p : nombre de paires de pôles par phase
Ns = 60 f
p
Donc, pour un moteur asynchrone la variation de la vitesse dépend :
De la fréquence du réseau d'alimentation (modifiable à l'aide d'un variateur)
Du nombre de paires de pôles
Trois bobines identiques sont disposés aux trois sommets d'un triangle équilatéral (stator). Une
masse métallique (le rotor) est placée au centre des 3 bobines. Ces trois bobines forment une paire de
pôles.
Lorsque les 3 bobines sont parcourues par des courants altenatifs de fréquence f (50 Hz) décalés
électriquement, le stator produit un champ magnétique tournant à la fréquence de synchronisme Ns.
Le rotor subit l’influence du champ tournant. Ce champ tournant induit dans le métal du rotor un
courant électrique de très forte intensité. Le courant électrique induit un champ magnétique opposé
au champ tournant.
Le rotor devenu magnétique va suivre le champ tournant mais il va tourner à une fréquence
légèrement inférieure à la fréquence de synchronisme d'où le nom de moteur asynchrone. Cette
différence de vitesse s'appelle le glissement.
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.
5.2.3 GLISSEMENT g
Le glissement exprime la différence entre la vitesse de synchronisme et la vitesse réelle du rotor
Avec :
g : glissement en %
Ns : vitesse de synchronisme en tr/min
N : vitesse de rotation du rotor en tr/min
Ns - N
g=
Ns
5.3 BILAN DES PUISSANCES / RENDEMENT
5.3.1 PUISSANCE UTILE Pu
C'est la puissance mécanique produite par le moteur pour entraîner la charge :
L'inversion du sens de rotation du rotor s'obtient en inversant le sens du champ tournant :
Il suffit d'intervertir deux des trois phases d'alimentation.
Pu = Cu
Ω
Avec :
Pu : puissance utile en W
Cu : couple utile en N.m
Ω : vitesse angulaire en rd/s
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5.3.2 PUISSANCE ABSBORBÉE PAR LE MOTEUR Pa
Pa = U I 3 cos ϕ
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5.4.2 INTERPRÉTATION
Avec :
Pa : puissance absorbée en W
U : tension entre phases en V
I : intensité par phase en A
ϕ : déphasage entre courant et tension
Le couple fourni par au démarrage est plus fort que le couple nominal (2 à 3 x)
En fonctionnement normal : la vitesse diminue si le couple résistant augmente
Dans un engin de levage, lors de la descente de la charge, celle-ci peut
entraîner le moteur au-delà de sa vitesse de synchronisme.(fonctionnement
5.3.3 RENDEMENT η
hypersynchrone). Le moteur fonctionne alors e ngénératrice asynchrone
Pu
Cu Ω
η=
=
U I 3 cos ϕ
Pa
débitant sur le réseau d'alimentation.
5.4 COURBES CARACTÉRISTIQUES
6 MOTEURS ASYNCHRONES MONOPHASÉS
5.4.1 COUPLE UTILE EN FONCTION DE LA VITESSE
Ces moteurs sont utilisés dans des applications domestisques (moteurs de machines à laver,
ouvre-portail...).
Couple
(Nm)
6.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Cm
Un enroulement alimenté par un courant sinusoïdal (système monophasé) produit un champ
magnétique équivalent à deux champs tournant en sens inverse :
Cd
Ns
Cn
N (tr/min)
0
Nn
Ng
Identification des points caractéristiques du fonctionnement :
Cm : couple maximal
Cd : couple de démarrage
Cn : couple nominal
Nn : vitesse nominale
Ns : vitesse de synchronisme
Ng : vitesse nominale en génératrice
Cette propriété est utilisée dans les moteurs asynchrones monophasés. Cependant, si aucun
dispositif suplémentaire n'est mis en oeuvre, le moteur asynchrone monophasé ne démarrera pas.
Ce moteur dispose d'un système de démarrage fournissant le couple de démarrage et déterminant
le sens de rotation. Il est pourvu d'un enroulement auxiliaire mis en série avec un condensateur. Cet
enroulement est donc parcouru par un courant déphasé par rapport à celui qui parcourt l'enroulement
principal. il suffit d'inverser l'enroulement auxiliaire pour que le moteur tourne dans l'autre sens.
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?
7 APPLICATIONS
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Calculer la fréquence de synchronisme Ns :
Ns = 60 f = 60 50 = 1500 tr/min
p
2
7.1 IDENTIFICATION DES CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES D'UN
MOTEUR ASYNCHRONE À PARTIR DE SA PLAQUE SIGNALÉTIQUE
?
Calculer la valeur du glissement g :
g=
1500 - 1410
Ns - N
= 0,06 = 6 %
=
Ns
1500
7.1.3 CALCUL DE LA PUISSANCE D'ENTRÉE
?
Calculer de deux façons différentes, la puissance Pa absorbée par le moteur :
Pa = U I 3 cos ϕ = 400 × 4, 3 × 3 × 0, 82 = 2440 W
Pa = Pu = 1800 = 2278 W
η
0,79
7.1.1 IDENTIFICATION DES CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES
?
Relever les informations portées sur la plaque signalétique :
1,8 kW
Puissance utile, Pu =
7.2 CALCUL DE LA VITESSE DE ROTATION D'UN MOTEUR
Vitesse de rotation, N =
rendement, η =
1410 tr/min
Un moteur asynchrone possédant deux pôles est alimenté en courant alternatif 50 Hz
79 %
coéfficient de déphasage, cos ϕ =
0,82
?
Ns = 60 f = 60 50 = 3000 tr/min
p
1
7.1.2 CALCUL DU GLISSEMENT
Le moteur est équipé de 2 paires de pôles.
?
Relever la fréquence de fonctionnement du réseau d'alimentation f :
50 Hz
Calculer la fréquence de synchronisme Ns :
?
Calculer sa vitesse de rotation N si le glissement est de 5% :
g=
Ns - N
Ns
N = Ns (1 - g ) = 3000 (1 - 0,05) = 2850 tr/min
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I5 : COMMANDE DE LA CHAÎNE D'ÉNERGIE
8 COMMANDE DE DÉMARRAGE D'UN MOTEUR ASYNCHRONE
TRIPHASÉ
La commande de démarrage direct du moteur asynchrone nécessite la présence des fonctions :
- SECTIONNEMENT : en tête du circuit, il est nécessaire de pouvoir ouvrir ou fermer les trois
contacts qui assurent la distribution du courant sur les trois phases du circuit.
- COMMUTATION : le courant doit être distribué vers les trois phases du moteur à partir d'une
commande manuelle à distance (depuis le circuit de commande) . En outre, on doit pouvoir
assurer une distribution directe (ordre des phases 1-2-3) ou inverse (ordre des phases 3-2-1)
selon le sens de rotation choisi.
- PROTECTION CONTRE LES SURCHARGES : le circuit d'alimentation et le moteur doivent
être protégés contre les surcharges pouvant intervenir sur l'arbre moteur.
- PROTECTION CONTRE LES COURTS-CIRCUITS : le circuit d'alimentation et le moteur
doivent être protégés contre les éventuels courts-circuits pouvant survenir.
Ces éléments sont présents dans le circuit électrique de puissance.
8.2 IDENTIFICATION ET SYMBOLISATION DES CONSTITUANTS DU
CIRCUIT DE PUISSANCE
Constituant
Symbole
8.3 IDENTIFICATION ET SYMBOLISATION DES CONSTITUANTS DU
CIRCUIT DE COMMANDE
Constituant
8.1 DESCRIPTION DES FONCTIONS
Description
Protège les personnes contre les contatcs indirects.
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transformateur
Boutonspoussoirs
Symbole
Description
Abaisse la tension utilisée pour que celle-ci soit conforme au niveau
de sécurité défini par la norme et réalise l'isolation électrique entre les
circuits de puissance et de commande
Permet à l'utilisateur de pouvoir entrer les informations de type
"arrêt" ou "marche"
Contact du
relais
thermique
Ce contact est commandé par le relais thermique. Il coupe
l'alimentation des bobines de contacteur lorsque le relais thermique a
détecté un défaut.
Contact de
précoupure
Les contacts auxiliaires permettent de couper le circuit de commande
des contacteurs avant l'ouverture des pôles du sectionneur ce qui
évite la coupure en charge. De même à la mise sous tension, le circuit
de commande n'est fermé qu'après la fermeture des pôles du
Bobine de
contacteur
Permet la commande à distance des pôles principaux (contacteurs de
puissance) KM1 et KM2.
Disjoncteur
Sectionneur
Pôles
principaux
(contacteur)
Relais
thermique
Verouillage
mécanique
Isole en toute sécurité le montage comme par exemple lors d'un
changement du moteur. Il intègre des fusibles qui provoquent la
coupure immédiate du circuit dans le cas d'un court-circuit. Cet
élément ne dispose pas de pouvoir de coupure en charge.
Commute et coupe des courants de forte valeur.
8.4 DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT DU MONTAGE - ÉQUATIONS
DE COMMANDE DE MARCHE DU MOTEUR (KM1 ET KM2)
Les pôles principaux (contacteurs) KM1 et KM2 permettent de commander le
moteur dans les deux sens. L'alimentation de la bobine de contacteur KM1 est
obtenue par appui sur S2, l'alimentation de KM2 par appui sur S3.
Les contacts auxiliaires à fermeture KM1 et KM2 permettent de mémoriser
Détecte des surintensités de faible niveau qui peuvent, à long terme,
provoquer des déteriorations dans les équipements. Cependant cet
élément ne dispose d'aucun pouvoir de coupure.
Empêche la fermeture simultanée des pôles principaux des
contacteurs KM1 et KM2.
l'appui sur les boutons-poussoirs (contact d'auto-maintien).
Les contacts auxiliaires à ouverture KM1 et KM2 réalisent un vérrouillage
électrique : les deux bobines ne peuvent pas être alimentées simultanément.
KM1 = F2 . AU . S1 . (S2 + KM1) . KM2
KM2 = F2 . AU . S1 . (S3 + KM2) . KM1
COURS TSI : CI-8
I5 : COMMANDE DE LA CHAÎNE D'ÉNERGIE
8.5 CIRCUITS ÉLECTRIQUES DE PUISSANCE ET DE COMMANDE
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