Le moteur asynchrone triphasé.
Principe de fonctionnement Liaison au réseau électrique Protection du moteur Variation de vitesse
1) Généralités
Le moteur asynchrone triphasé est largement utilisé dans l'industrie, sa simplicité de construction en fait un matériel très fiable et qui demande peu d'entretien. Il est constitué d'une partie fie, le stator qui comporte le bobinage, et d'une partie rotative, le rotor qui est bobiné en cage d'écureuil. Les circuits magnétiques du rotor et du stator sont constitués d'un empilage de fines t!les métalliques pour éviter la circulation de courants de "oucault.
2) Principe de fonctionnement Le principe des moteurs à courants 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. #e champ est dans l'ae de la bobine, sa direction et son intensité sont fonction du courant I. #'est une grandeur vectorielle.
$i le courant est alternatif, le champ magnétique varie en sens et en direction % la m&me fréquence que le courant.
$i deu bobines sont placées % proimité l'une de l'autre, le champ cham p magnétique résultant est la somme vectorielle des deu autres.
Dans le cas du moteur triphasé, les trois bobines sont disposées dans le stator à 120° les unes des autres, trois champs magnétiques sont ainsi créés !ompte tenu de la nature du courant sur le réseau triphasé, les trois champs sont déphasés "chacun à son tour passe par un ma#imum$ Le champ magnétique résultant tourne à la m%me fréquence que le courant soit 50 tr/s.
Les & enroulements statoriques créent donc un champ magnétique tournant, sa fréquence de rotation est nommée fréquence de s'nchronisme (i on place une boussole au centre, elle va tourner à cette vitesse de s'nchronisme
Le stator est constitué de barres d'aluminium noyées dans un circuit magnétique. #es barres sont reliées % leur etrémité par deu anneau conducteurs et constituent une cage d'écureuil. #ette cage est en fait un bobinage % grosse section et très faible résistance. #ette cage est balayée par le champ magnétique tournant. Les conducteurs sont alors traversés par des courants de "oucault induits. (es courants circulent dans les anneau formés par la cage, les forces de Laplace qui en résultent eercent un couple sur le rotor. ('après la loi de Len) les courants induits s'opposent par leurs effets % la cause qui leur a donné naissance. Le rotor tourne alors dans le m&me sens que le champ mais avec une vitesse légèrement inférieure % la vitesse de synchronisme de ce dernier.
Le rotor ne peut pas tourner à la m%me vitesse que le champ magnétique, sinon la cage ne serait plus bala'ée par le champ tournant et il ' aurait disparition des courants induits et donc des forces de Laplace et du couple moteur Les deu# fréquences de rotation ne peuvent donc pas %tre s'nchrones d)o* le nom de moteur asynchrone +renons l)e#emple d)un moteur dont la fréquence de rotation nominale relevée sur la place signalétique est de 2-0 tr.mn, ce moteur étant alimenté en courant de /0, la fréquence de rotation du champ magnétique est dons de /0 tr.s soit &000 r.mn Le rotor est donc bala'é par un champ magnétique qui tourne à une fréquence de rotation relative de &00032-04150 tr.mn
2) Caractéristique du moteur asynchrone
Le couple varie avec la fréquence de rotation pour le moteur et pour la charge entra*née. Les caractéristiques du moteur et de la charge se croisent au point de fonctionnement pour lequel les couples moteur et résistant sont identiques.
3) e !o!ina"e
Les bobines sont logées dans les encoches du stator. $'il y a une paire de p!les magnétique pour chacune des trois phases, la fréquence de synchronisme est alors de + tr-mn. si on augmente le nombre de paires de p!les, il est possible d'obtenir des moteurs avec des fréquences de rotation différentes. paire de p!les /0 + tr-mn 1 paires de p!les /0 2 tr-m
#) $ranchement étoile ou trian"le 6l ' a deu# possibilités de branchement du moteur au réseau électrique triphasé Le montage en étoile et le montage en triangle 7vec un branchement en étoile, la tension au# bornes de chacune des bobines est d)environ 2&08 Dans le montage en triangle, chacune des bobines est alimentée avec la tension nominale du réseau "-008$ 9n utilise le montage étoile si un moteur de 2&08 doit %tre relié sur un réseau -008 ou pour démarrer un moteur à puissance réduite dans le cas d)une charge avec une forte inertie mécanique
Le branchement des bobines sur le réseau se fait au niveau de la plaque % borne située sur le dessus du moteur. 3n dispose ainsi de 4 conneions, une pour chacune des etrémités des trois bobines. Les bornes sont reliées au bobines selon le schéma ci5contre.
5) Puissance et rendement
La puissance consommée sur le réseau en triphasé est Le
du moteur est une caractéristique indiqué sur la plaque signalétique.
$ilan des puissances
%) iaison a&ec le réseau '( Le moteur est relié au réseau par un certain nombre de dispositifs de sécurité et de commande
Le sectionneur d)isolement avec fusibles permet de déconnecter le moteur du réseau pour des opérations de maintenance par e#emple 6l prot:ge également le dispositif en aval contre les risques de court circuit gr;ce au# fusibles Le contacteur permet l)alimenter le moteur avec une commande manuelle ou automatique avec un automate programmable Le relais thermique prot:ge le moteur contre les surcharges de courant, l)intensité ma#imale admissible est réglable (on action différentielle permet de détecter une différence de courants entre les phases en cas de coupure d)une liaison par e#emple Le transformateur abaisse la tension secteur à une valeur de 2-8 pour garantir la sécurité des utilisateurs sur la partie commande
Sectionneur
Contacteur
Relais thermique
NB : Pour modifier le sens de rotation d'un moteur asynchrone triphasé, il suffit de permuter deux des trois phases.
*) a &ariation de &itesse
Ils permettent 6ne gamme de vitesses de 27 % 17 de la vitesse nominale 6ne conservation du couple sur toute la gamme de vitesses (es rampes d'accélération et de décélération (eu sens de rotation La consigne de vitesse est en général fournie sous forme d'une tension de % V par eemple 6ne protection du moteur est intégrée au variateur.
Le courant électrique issu du réseau est dans un premier temps converti en courant continu, il est ensuite reconverti en courant alternatif par un onduleur mais avec une fréquence différente 6l est ainsi possible de convertir du monophasé en triphasé si c)est nécessaire
L'onduleur travaille en hacheur, il va moduler le courant par largeur d'impulsions 8P9:;, le courant résultant est proche d'une sinuso
+chéma interne d,un &ariateur
-) Chane d,éner"ie a&ec &ariateur et moteur asynchrone L)automate programmable industriel "7+6$ de la cha>ne d)information envoie une consigne analogique sous forme d)une tension continue au variateur Le variateur alimente le moteur avec une fréquence de courant proportionnelle à cette consigne L)automate doit %tre équipé d)un module de conversion numérique.analogique
Vitesse de synchronisme: c'est la vitesse angulaire du champ magnétique tournant. Elle s'exprime en rad.s-1. Elle est reliée à la pulsation du courant triphasé et au nombre de paires de pôles du moteur: La vitesse angulaire de snchronisme est:
p est sans unité
!appelons la relation entre la pulsation et la "réquence du courant::
#i la "réquence du courant est $% &( alors vaut )1* rad.s-1.
!appelons également les relations entre vitesse angulaire et "réquence de rotation ns
si ns est en tr.min-1
ou si ns est en tr.s -1 +our du courant triphasé de "réquence $% hert( cela "ait les valeurs possibles suivantes:
si le moteur est bipolaire. , pôles
p1
tétrapolaire. * pôles
p,
hexapolaire. pôles
p)
octopolaire. / pôles
p*
Glissement g: le rotor 0 cage d'écureuil du moteur tourne tou2ours un peu moins vite que le champ tournant.3n dit qu'il a glissement. Le glissement traduit une dérive entre le rotor et le champ. Le glissement est dé"ini par:
g est un nombre positi"( sans unité et in"érieur à 1. 3n l'exprime en 4. par exemple si g %(%( on écrira g 4.
2910, 1440, 930, 720 tr.min-1 sont des valeurs possibles pour la rotation d'un moteur asnchrone possédant respectivement 2( 4( 6( 8 pôles. Le glissement vaut alors respectivement: 3%( 4%( 7%( 4%. Bilan des puissances: Puissance absorbée (électrique) ou reçue par le stator (en atts: !):
5 est la tension composée du réseau triphasé. 6'est la plus grande des , tensions. #i une seule tension est donnée( c'est elle. 7 est le courant en ligne. !appelons la relation entre tension simple 8 et tension composée 5( toutes les , en volts 08:
!appelons également la relation entre le courant de ligne 7 et le courant de branche 9( tous les , en ampres 0;.
Puissance transmise au rotor (en atts):
< est le couple 0en ne=ton-mtre: >.m transmis au rotor:
elle prend donc en compte les pertes dans le stator 0pertes 9oule et pertes "er.
Puissance disponible au rotor (en atts):
il "aut enlever à la précédente les pertes 9oule dans le rotor:
!appelons l'expression des pertes 9oule dans le rotor:
Puissance utile (mécanique):
o? .m et + mec les pertes mécaniques.
"endement:
avec:
est un nombre positi"( sans unité( compris entre % et 1 et que l'on exprime en 4. +ar exemple si %(/( on écrira: /4. Note: la valeur maximale du rendement est 1 - g.
5n moteur à excitation indépendante constante tourne à la "réquence de rotation de 1 *%% tr@min quand il absorbe un courant de )% ; sous une tension de 11$ 8 qui reste constante. Les pertes 9oule dans l'inducteur sont de 1$% A et les pertes constantes de ,,% A. La résistance de l'induit est ! %() . Béterminer pour les courants induits suivants: 1% ;( ,% ;( )% ;. 1C La ".é.m. ,C La "réquence de rotation. )C La puissance absorbée. *C La puissance utile. $C Le rendement. C Le couple électromagnétique.
#ormules
$ % &'
1C
E 11, 8
,C
n 1 */% tr@min
)C
+a 1 )%% A
*C
+u D%% A
n
$C
C
.m
orrection
1) +our alimenter une installation électrique on dispose d'un réseau triphasé ,,%@)/%8( $%&. Le réseau est utilisé pour alimenter une installation électrique comprenant: - % lampes de $%%A chacune 0cos 1( réparties de "aFon à équilibrer les trois phasesG - un groupe moteur aux bornes duquel la méthode des deux =attmtres a donné les indications suivantes: +1 ,%% HA +, % HAG - un "our thermique absorbant une puissance 1$%% AG
<
1 Iuelles sont les puissances active( réactive et apparente absorbées par le groupe moteur , Iuels sont l'intensité du courant et le "acteur de puissance à l'entrée de la dérivation du groupe moteur. ) Iuels sont l'intensité du courant et le "acteur de puissance en tJte de réseau. 3n dispose de trois condensateurs aant chacun une capacité de 6 1$% K. ;"in de diminuer le courant sur le réseau et d'augmenter le "acteur de puissance on les connecte en triangle. * 9usti"ier le choix de la connection. $ 6alculer la puissance réactive "ournie par cette batterie de condensateurs. En déduire les nouvelles valeurs de courant et de "acteur de puissance en tJte de réseau. La mesure des puissances en tJte de réseau étant "aite par la méthode des deux =attmtres( quelles sont les indications des =attmtres dans ce cas. 6orrection MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM
2) 3n considre l'installation suivante : un récepteur triphasé est alimenté sous *%% 8( $% &. 7l est constitué par : - 1% moteurs triphasés absorbant une puissance active totale de D$%%% AG cos 1 %( 0inducti"G - , "ours thermiques absorbant une puissance active totale de *,*%% AG cos , 1G - ) condensateurs identiques montés en triangle et "ournissant une puissance réactive totale de D%% 8;!.
6alculer: 1 la puissance active totale absorbée par le récepteur. , la puissance réactive totale absorbée par le récepteur. ) le courant dans un "il de phase. * le "acteur de puissance du récepteur. $ la capacité d'un condensateur 0en K. 3) #ur un secteur ,,%@)/% 8( $% &( on monte en étoile avec neutre trois récepteurs: - entre la phase 1 et le neutre N1 $$ cos 1 %(/ 0charge inductiveG -entre la phase , et le neutre N, ** cos , 1 0charge résistiveG - entre la phase ) et le neutre N) 11% cos ) % 0charge capacitive.
6alculer les courants qui traversent les récepteurs ainsi que le "il neutre. 4) #ur un secteur ,,%@)/% 8( $% &( on monte en triangle entre: - 1 et ,( une résistance de D$ G - , et )( une résistance r de 1/ en série avec une sel" L de %(), &G - ) et 1( une résistance !' de ,$ en parallle avec une capacité 6 de * K.
6alculer les courants dans chacun des récepteurs ainsi que les trois courants en ligne. 5) Le secondaire d'un trans"ormateur triphasé( branché en étoile( délivre trois tensions simples sinusoOdales: 81 8m cos 0t 8, 8m cos 0t P , @) 8) 8m cos 0t P * @) G avec 8m )% 8 et 1,% .
1 a Béterminer: - la valeur e""icace 8 de la tension simpleG - la valeur e""icace 5 de la tension entre "ils de ligneG - la "réquence " de la tension. b Bonner une représentation vectorielle des tensions simples.
, Le réseau alimente trois impédances Z ( P j$( couplées en triangle. a Béterminer: - le courant 9 dans les impédancesG - le courant 7 dans les "ils de ligneG - la puissance active + et la puissance réactive I absorbées par l'ensemble des impédances. b 3n place deux =attmtres pour déterminer la puissance suivant la méthode des deux =attmtres. Le =attmtre 1 mesure +1. #on circuit tension est branché entre la phase 1 et la phase ). Le =attmtre , mesure +,. #on circuit tension est branché entre la phase , et la phase ). aire apparaQtre sur le diagramme les tensions et courants concernés( et en déduire l'expression et les valeur respectives de +1 et +,. ) Le réseau alimente maintenant un récepteur constitué par trois impédances Z1( Z,( Z) montées en étoile dont le point commun est relié au neutre par un conducteur d'impédance négligeable. 3n prendra: Z1 ** G Z, ** 0%(/ P j%( G Z) ** 0%($ - j . V1 est le nombre complexe représentati" de la tension 81. a Bonner les expressions complexes V, et V) en "onction de V1. b Béterminer les expressions complexes I1( I, et I) des courants en "onction de V1. c Béterminer la valeur e""icace du courant 7 > dans le "il de neutre. 6) Bans le schéma de la "igure a( les trois résistances ! ;( ! R( ! 6 sont montées en triangle 0ou en ( alors que dans celui de la "igure b( ! 1( ! ,( ! ) sont montées en étoile 0ou en <.
igure a
igure b
1 !éduire( dans les deux cas( les circuits à leurs générateurs équivalents de
7)
igure 1 3n considre le montage de la "igure 1. 1
1 6alculer les courants dans les "ils de ligne quand les deux moteurs "onctionnent en mJme temps. , 6alculer le "acteur de puissance de l'ensemble. ) Béterminer les indications de chaque =attmtre suivant la méthode des deux =attmtres. * 6alculer la valeur des capacités( montées en triangle( permettant de relever le "acteur de puissance à %(D quand les deux moteurs "onctionnent 9) 1 Bémontrer la "ormule Z0triangle )VZ0étoile. , Béterminer les courants en ligne 7 et les "acteurs de puissance des montages suivants alimentés sous ,,%@)/% 8 à $% &: a- ! )% 1@06 1 .
b- ! )% L 1%
MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM
10) 5ne installation électrique triphasée 05 )/% 8 - " $% & comporte : - ) résistances montées en étoile( absorbant chacune une puissance de **%%% AG - ) impédances montées en triangle : Z ! P jL absorbant au total une puissance de 1%% %%% A et une puissance réactive de /$ %) 8;!G - ) moteurs triphasés de caractéristiques nominales : + $ %%% A I ,%, *%$ 8;! 0pour un moteur.
1 6alculer ! et L. , Iuelles sont les valeurs des intensités dans une phase de chacun des circuits W ) Iuel est le "acteur de puissance global de l'installationW * 6alculer le courant de l'installation lorsque tous les appareils "onctionnent. $ 3n mesure les puissances actives et réactive par la méthode des deux =attmtres. Iuelles seront les indications relevéesW 11) 3n considre un réseau triphasé **% 8 @ % &( chargé par trois impédances Z )/ 0%(/ P2 %( montées en triangle.
1 Iuel est le courant 71 dans les "ils de ligneW , Iuel est le "acteur de puissance cos 1 du récepteurW ) Iuelles sont la puissance active et la puissance réactive absorbées par la charge W * Iuelle est l'admittance cclique complexe Y1 du récepteurW 3n dispose de condensateurs "ournissant D%% 8;! chacun sous ,$* 8 à % &. $ Iuelle puissance réactive "ournirait chaque condensateurW Iuelle est l'admittance complexe Y2 de ces condensateursW
12) 5ne installation électrique sans neutre alimentée par le réseau triphasé 5 )/% 8( $% & comprend: - ) moteurs triphasés de caractéristiques nominales: +U 1% HA IU ) H8;! - ) impédances N montées en triangle : +N $ HA IN )(, H8;! 0pour les trois impédances - ) résistances montées en étoile : +N 1 H 0par résistance.
1 aire un schéma de l'installation. , Iuelles sont les intensités dans une phase de chacun des circuitsW ) Iuel est le courant dans l'installation lorsque tous les appareils "onctionnent W * Iuel est le "acteur de puissance global de l'installationW $ 3n mesure les puissances active et réactive "ournies par l'installation au réseau en utilisant la méthode des deux =attmtres. Iuelles seront les indications relevées sur les appareils de mesureW
Rilan énergétique du moteur asnchrone 1. 5n ampremtre à aiguille possde 1%% divisions. L'aiguille dévie de divisions et le calibre utilisé est 1% m;. 6alculer l'intensité du courant. ,. 5n voltmtre de 1$% divisions( utilisé sur le calibre 1($ 8( voit son aiguille dévier de 1%/ divisions Iue vaut la tension électriqueW ). 5n courant de 1,$ m; circule pendant )% minutes. 6alculer la charge électrique transportée par ce courant. 6ombien cela représente-t-il d'électrons( sachant que chacun a une charge e 1(.1%-1D 6W *. Bans le circuit suivant( combien a t-il de noeuds( de branches( de maillesW
3n mesure les courants 7 1 et 7). 3n trouve: 7 1 ,)* m; et 7) D* m;. 6alculer 7 , et 7* . $. 6alculer l'intensité qui manque à l'arrivée ou au départ des * noeuds suivants et indiquer le sens du courant 7 dans le dernier de ces * cas:
. Béterminer les tensions marquées par un point d'interrogation.
. 3n réalise le montage suivant:
Les appareils de mesure indiquent les valeurs: u08
,
*
/
1%
1,
i 0 m;
1)
,
*%
$$
/%
u )8
i ,% m;
u ($ 8
i 1%% m;
i
m;
u
8
i
m;
u
8
i
m;
u
8
i
m;
u
8
/. La caractéristique d'une résistance est représentée par la courbe suivante:
