BANC D ESSAIS DE M.A.S

Transcription

1 PEUTOT ch

2 BANC D ESSAIS DE M.A.S

3 CONSTITUTION

4 Rep. Désignation Rep. Désignation 1 Stator bobiné 2 Carter 3 Rotor 5 Flasque côté accouplement 6 Flasque arrière 7 Ventilateur 13 Capot de ventilation 14 Tiges de montage 21 Clavette 26 Plaque signalétique 27 Vis de fixation du capot 30 Roulement côté accouplement 33 Chapeau intérieur côté accouplement 38 Circlips de roulement côté accouplement 39 Joint côté accouplement 50 Roulement arrière 54 Joint arrière 59 Rondelle de précharge 70 Corps de boîte à bornes 74 Couvercle de boîte à bornes

5 Ce moteur convertit l énergie électrique distribuée par le réseau alternatif triphasé en énergie mécanique. Le moteur asynchrone comprend deux parties distinctes.

6 1 - Le stator : C'est la partie fixe du moteur. Il est constitué d'une carcasse. Sur cette carcasse, est fixée une couronne constituée par un empilage de tôles en acier au silicium (qualité : 1,4 à 2,6 W/kg de pertes), ce qui limite les pertes par hystérésis. Ces tôles, de faible épaisseur (0,35 mm à 0,5 mm) sont isolées entre elles par oxydation ou éventuellement par traitement thermo-chimique (vernis isolant) pour limiter les pertes par courant de Foucault. Elles sont munies d encoches. Les tôles peuvent être serrées à la presse dans la carcasse et maintenues par deux plateaux ou, plus fréquemment, la carcasse peut-être coulée directement sur la couronne de tôles. Des ailettes sur la périphérie extérieure de la carcasse facilitent le refroidissement.

7 Tôle stator Encoches au stator : semi-ouvertes ouvertes semi-fermées.

8 A l'intérieur de la couronne de tôles, des bobinages comportant autant de circuits qu'il y a de phases (3 pour un moteur triphasé) sont logés dans les encoches. Des flasques vissés et centrés sur la carcasse supportent les roulements à billes. Les trois circuits sont connectés sur une plaque à bornes disposés et repérés de la façon suivante. Ils sont couplés, selon leurs caractéristiques et selon le réseau, en étoile ou en triangle. U U1 Z X Y W2 U2 V2 W V W1 V1 Ancienne norme Nouvelle norme (NFC )

9 U1 V1 W1 L1 L2 L3 W2 U2 V2 L1 L2 L3 U1 V1 W1 U1 V1 W1 W2 U2 V2 W2 U2 V2 Couplage triangle ( D) Couplage étoile ( Y )

10 L1 L2 L3 U1 V1 W1 W2 U2 V2 Couplage triangle ( D)

11 L1 L2 L3 U1 V1 W1 W2 U2 V2 Couplage étoile ( Y )

12 La plus faible tension indiquée sur la plaque signalétique est la tension nominale que doit supporter un enroulement. Exemple : moteur 230/400 V Réseau 230 V couplage : triangle ( D ) Réseau 400 V couplage : étoile ( Y ) L1 I L1 U1 220V W2 J U1 380V U2 L2 L3 W1 V2 220V V1 U2 L2 L3 W1 W2 220V V2 V1 U = V I = J. 3 U = V. 3 I = J

13 2 - Le rotor : C'est la partie mobile du moteur. Il est constitué par un empilage de tôles formant un cylindre claveté sur l'arbre. Le type de rotor le plus courant est le rotor à cage d'écureuil (ou rotor en court-circuit). Dans les trous ou dans les encoches disposées à la périphérie du cylindre sont placés des conducteurs. Ceux-ci sont raccordés à chaque extrémité par une couronne métallique. L'ensemble a l'aspect d'une cage d'écureuil. Les conducteurs et la couronne sont les plus souvent réalisés par injection d'aluminium, sous pression. Ils assurent alors la rigidité mécanique de l'ensemble. Des aillettes de refroidissement coulées lors de la même opération font masse avec le rotor. Pour éviter les variations de couple provenant du balayage des conducteurs du rotor par le champ tournant (phénomène d'accrochage magnétique), on adopte: - des nombres d'encoches différents au stator et rotor. - une inclinaison des encoches au rotor (15% environ).

14 Tôle rotor 1 : Conducteur en aluminium ou en cuivre 2 : Anneaux reliant tous les conducteurs entre eux et réalisant le rotor en courtcircuit (cage d écureuil).

15 EXPLICATION PHYSIQUE DU FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE 1 - FONCTIONNEMENT Le principe de fonctionnement des moteurs asynchrones est basé sur la production d'un champ tournant. Considérons un aimant permanent NS et un disque de cuivre montés sur un axe XY et susceptible de tourner autour : Lorsque l'aimant, entraîné par un artifice quelconque, tourne, le champ magnétique qu'il produit tourne également et balaye le disque.

16 Celui-ci est alors parcouru par des courants induits dus à la variation du champ magnétique créée par la rotation de l'aimant par rapport au disque. L'interaction de ces courants, qui ne peuvent s'opposer à la rotation de l'aimant, et du champ tournant donne un couple moteur au disque, suffisant pour vaincre le couple résistant dû aux frottements et provoquer la rotation du disque. Le disque est donc entraîné dans le sens du champ tournant à une vitesse légèrement inférieure à celui-ci. La différence de vitesse est appelée vitesse de glissement. Si le disque tournait à la même vitesse que le champ (vitesse de synchronisme), il n'y aurait plus de variation de champ donc plus de courants induits et le couple exercé serait nul. C'est parce que la vitesse du disque (rotor) est inférieure à celle du champ tournant que ce type de moteur est dit asynchrone.

17 2 - ACTION D'UN CHAMP TOURNANT SUR UN CONDUCTEUR Lorsqu'un conducteur est balayé par les lignes de force d'un champ magnétique tournant, donc soumis à un flux variable, il est le siège d'une force électromotrice induite. Si ce conducteur est en court-circuit, il y aura circulation d'un courant induit (Loi de Faraday). Supposons une spire en court-circuit mobile autour d'un axe XY et située dans un champ magnétique B que l'on fait tourner dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport à XY, par exemple :

18 Le sens du courant peut être défini en appliquant la règle des trois doigts de la main droite : - le pouce est placé dans le sens du champ inducteur, - l'index est placé dans le sens du déplacement du conducteur par rapport au champ inducteur - le majeur indique le sens du courant induit. D'après la loi de Lenz, le sens du courant est tel qu'il s'oppose par son action électromagnétique à la cause qui lui a donné naissance.

19 Chacun des deux conducteurs est donc soumis à une force F, de sens opposé à son déplacement relatif par rapport au champ inducteur. La règle des trois doigts de la main droite (action d'un champ sur un courant) permet de définir facilement le sens de la force F appliquée à chaque conducteur : - le pouce est placé dans le sens du champ inducteur, - l'index indique le sens de la force, - le majeur est placé dans le sens du courant induit. La spire est donc soumise à un couple qui provoque sa rotation dans le même sens que le champ inducteur, appelé champ tournant.

20 3 - EXPLICATION PHYSIQUE DU CHAMP TOURNANT Sur les moteurs asynchrones triphasés, le champ tournant est produit par trois bobinages fixes, géométriquement décalés de 120 (p = 1) et parcourus par des courants alternatifs présentant le même décalage électrique. Les trois champs alternatifs qu'ils produisent se composent pour former un champ tournant d'amplitude constante. B3 B1 H1 B2 Théorème de FERRARIS : 3 bobines B1, B2, B3 placées dans l espace à 120 et alimentées par des courants i1, i2, i3 déphasés électriquement de 120 vont produire un champ tournant unique dans un sens. Après inversion d une des 3 phases, le champ tournera dans l autre sens. H3 H2 Le champ sera maximum si le courant est maximal dans l axe d une phase.

21 Rappel: une bobine composée de spires parallèles parcourues par un courant produit un champ magnétique orienté selon la normale à la section des spires. Ce champ est proportionnel à l intensité du courant et au nombre de spires. Si le courant est sinusoïdal ce champ l est aussi. La bobine B1est traversée par un courant i1= Im cos wt et crée un champ h1=hm cos wt, ce champ est colinéaire (parallèle) à la normale n1 de la bobine B1.

22 La bobine B2 est traversée par un courant i2= Im cos (wt -2p/3) et crée un champ h2=hm cos (wt -2p/3), ce champ est colinéaire (parallèle) à la normale n2 de la bobine B2. La bobine B3 est traversée par un courant i3= Im cos (wt -4p/3) et crée un champ h3=hm cos (wt -4p/3), ce champ est colinéaire (parallèle) à la normale n3 de la bobine B3. Le champ résultant Hr est la somme vectorielle h1+h2+h3 = Hr La figure ci-dessous représente la position et le module des champs h1, h2, h3 et Hr pour trois valeurs du temps à t=0, à t=t/6 et t=t/3:

23 * Le courant i1 vaut +Im (voir courbe p9), le champ h1 vaut Hm et est orienté comme la normale n1. * Le courant i2 vaut -Im /2(voir courbe p9), le champ h2 vaut Hm/2 et est orienté à l opposé de la normale n2. * Le courant i3 vaut -Im/2 (voir courbe p9), le champ h3 vaut Hm/2 et est orienté à l opposé de la normale n3. * Hr est la somme vectorielle (h1+h2+h3) son module est de 3.Hm /2 et son orientation est comme la normale n1

24 Pour t=t/6: * Le courant i1 vaut +Im /2(voir courbe p9), le champ h1 vaut Hm/2 et est orienté comme la normale n1. * Le courant i2 vaut +Im /2(voir courbe p9), le champ h2 vaut Hm/2 et est orienté comme la normale n2. * Le courant i3 vaut -Im (voir courbe p9), le champ h3 vaut Hm/2 et est orienté à l opposé de la normale n3. * Hr est la somme vectorielle (h1+h2+h3) son module est de 3.Hm /2 et son orientation est à l opposé de la normale n3. Le champ résultant à subit une rotation de 60 degrés.

25 Pour t=t/3: * Le courant i1 vaut -Im /2(voir courbe p9), le champ h1 vaut Hm/2 et est orienté à l opposé de la normale n1. * Le courant i2 vaut +Im (voir courbe p9), le champ h2 vaut Hm et est orienté comme la normale n2. * Le courant i3 vaut -Im/2 (voir courbe p9), le champ h3 vaut Hm/2 et est orienté à l opposé de la normale n3. * Hr est la somme vectorielle (h1+h2+h3) son module est de 3.Hm /2 et son orientation est comme la normale n2. Le champ résultant à subit une nouvelle rotation de 60 degrés. Même principe pour couvrir les 360 degrés. Dans notre exemple, par phase la bobine crée une paire de pôles ( un pôle nord et un pôle sud), le champ résultant Hr fait un tour par période soit pour un courant de fréquence 50Hz, 50 tours par seconde ou 3000tr/min, c est la vitesse du champ statorique appelée aussi vitesse de synchronisme. Pour un moteur asynchrone la vitesse de synchronisme ne sera jamais supérieure à 3000 tr/min.

26 La figure ci-dessous montre l inversion du sens de rotation du champ tournant lors d une inversion de phase, en effet la bobine B2 est alimentée par le courant i3 et la bobine B3 par le courant i2. Rappel du système triphasé Champ tournant HR après inversion de deux phases de l alimentation.

27 La construction reste identique au cas précédent en prenant garde de placer le champ h2 ( crée par i2) sur la normale de la bobine B3 et le champ h3 (crée par i3) sur la normale de la bobine B2. Le champ résultant HR tourne dans le sens opposé à HR (page 10), le procédé d inversion du sens de rotation d un moteur asynchrone est fort simple, il suffit de croiser deux fils des trois fils de l alimentation.

28 PLAQUE SIGNALETIQUE D UN MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE Les caractéristiques portées sur la plaque signalétique désignant la machine sont données au point de fonctionnement NOMINAL.

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30 a) Marque : - Logo ( * ) - N : numéro de série b) Type de construction : (indice de protection) - Protégé IP 23 - Fermé IP 44 - Etanche IP 55 c) Forme de construction : - Fixation : à pattes à flasque-bride à trous lisses ou taraudés - Types de rotor (CAG. ou BAG.) d) Caractéristiques électriques : - Nature du courant (MOT 3 ~ : moteur triphasé alternatif) - Tensions d alimentations (V) et couplages ( D ou D : branchement triangle ; Y : étoile) - Intensités nominales (A) - Fréquence d alimentation ( ** : 50 Hz ou 60 Hz ou 50/60 Hz ) - Facteur de puissance (cos j) - Classe d'isolation (F) - Température d ambiance maxi de fonctionnement.

31 e) Caractéristiques mécaniques : - Puissance utile nominale en kw ou en ch (1 cheval = 736 W) - Vitesse nominale (nombre de pôles : 2, 4, 6... pôles) en min -1 (nombre de tours par minute) - Couple nominal f) Spécifications particulières : - Bout d'arbre ou fixation spéciale - Humidité, altitude, pression. - Service. Facteur de marche. Nombre de cycles par heure. - Masse - Série (LS : carcasse à nervures de refroidissement coulée en alliage d aluminium. FLS : fonte) - Hauteur d axe en mm - Indice d imprégnation T TENSION Les moteurs de série, 230/400 V, sont bobinés pour être alimentés par courant triphasé à 50 Hz sous la tension : V dans le cas d un couplage triangle V dans le cas d un couplage étoile. VITESSE La vitesse d un moteur asynchrone est proportionnelle à la fréquence du courant d alimentation et inversement proportionnelle au nombre de pôles constituant le stator. n s = f p avec n s : vitesse du champ tournant dite de synchronisme en tr/s f : fréquence des courants statoriques en Hz p : nombre de paires de pôles

32 Le nombre de pôles dépend du type de bobinage : Le nombre de pôles dépend du type de bobinage : N S N N S N S Compte-tenu du glissement, la vitesse de rotation du moteur est légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme. Vg = n s - n g = n s - n Le glissement s exprime en % n s Le glissement varie avec la charge du moteur. W s = 2 p. n s W = 2 p. n

33 PUISSANCE UTILE (mécanique disponible sur l arbre) Les puissances nominales pour un type de moteur s entendent dans les conditions suivantes : - tension d alimentation fixe à ± 5 % et fréquence nominale. - service continu S1. - ambiance inférieure ou égale à 40 C. - altitude inférieure ou égale à 1000 mètres (réduire la puissance plaquée pour une altitude supérieure). - six démarrages d une durée maximale de 5 secondes également répartis dans l heure. PUISSANCE ABSORBEE (électrique) RENDEMENT = Pu Pa Pa = U.I. 3.cosj exprime le rendement du moteur au point de fonctionnement considéré. avec U : tension entre phases en V I : courant en ligne en A j : déphasage entre V et I LE COUPLE est fonction de la puissance et de la vitesse du moteur :avec P en Watts, C noté encore M en N.m et W (vitesse angulaire) en rd/s. P = C x W

34 La classe d isolation normale est la classe E prévue pour fonctionnement à une température ambiante égale ou inférieure à 40 C. Les caractéristiques des bobinages, des isolants, les échauffements tolérés en fonction des classes d isolation, sont indiqués dans le tableau suivant, pour une ambiance normale de 40 C définie par la NF C Classe d isolatio n Echauffement maxi (par mesure de résistance) C Température limite du bobinage en C Qualité de l émail des fils de bobinage Nature des isolants solides E Formvar Stratifiés coton. Stratifiés papier. Tissus verre imprégnés. B Téréphtalique Complexes à base téréphtalate de polyéthylène F Téréphtalique Fibre synthétique haute température (isolants souples et stratifiés) Complexe à base de fibre classe F et film polyester. H Polyimide Fibre synthétique haute température (isolants souples et stratifiés) Base du vernis d imprégnation Résine époxyde Résine époxyde Résine époxyde Résine silicone modifiée

35 Déclassement des moteurs de classe E pour une température ambiante supérieure à 40 C : IMPREGNATION Température ambiante Coefficient de réduction de puissance 45 C 50 C 55 C 60 C 0,96 0,90 0,85 0,80 Après bobinage, le stator subit une imprégnation à coeur destinée à assurer le blocage des fils de cuivre et l isolement diélectrique nécessaire au bon fonctionnement ainsi qu une protection contre l environnement. Les vernis utilisés sont à base de résines époxyde diluées. Ils donnent au moteur une rigidité mécanique excellente et une résistance d isolement très élevée.

36 FORMES DE CONSTRUCTION HAUTEUR D AXE hauteur d axe (56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 132

37 SERVICE TYPE NOMINAL D UNE MACHINE (10 services au total) Service continu S1 Service temporaire S2 Service intermittent périodique S3 S1 : fonctionnement d une durée suffisante pour que l équilibre thermique soit atteint. S2 : fonctionnement d une durée inférieure à celle requise, pour atteindre l équilibre thermique, suivi d une durée suffisante pour ramener la machine à température ambiante à 2 C près. S3 : suite de cycles de service identiques (fonctionnement à charge constanterepos). Temps de démarrage négligeable devant la période de fonctionnement.

38 INDICE DE PROTECTION

39 I P.. (. ) 3 ème chiffre : protection contre les dommages mécaniques non indiquée (assurée par le constructeur : 7 en général) 2 ème chiffre : protection contre la pénétration des liquides 1 er chiffre : protection contre les contacts et la pénétration des corps solides IP les plus courants : IP23, IP44, IP55

40 Facteur de marche (%) = N N+R. 100 N = fonctionnement à charge constante T max = température maximale atteinte R = repos CARACTERISTIQUES NATURELLES INTENSITE ET COUPLE EN FONCTION DE LA VITESSE Intensité (I/In) Couple (C/Cn) Id Id : courant de démarrage Cd : couple de démarrage Cmaxi : couple maximal Cn : couple nominal Cmaxi Cd Cn 2,5 2 1,5 1 Cr point de fonctionnement In 1 0,5 0 0,25 0,5 0,75 nn 1 ns Vitesse (n/ns) 0 0,25 0,5 0,75 nn 1 ns Vitesse (n/ns)

41 Remarque importante : deux problèmes au démarrage, la pointe d'intensité, égale à 4 à 8 fois l'intensité nominale, est élevée. le couple moteur, en moyenne de 0,5 à 1,5 fois le couple nominal, peut être parfois trop faible. Couple d accélération : (Tacc) différence entre le couple moteur Tm et le couple résistant Tr. Tacc = Tm - Tr Le temps de démarrage est d autant plus court que le couple d accélération est grand.

42 INFLUENCE DE LA RESISTANCE DU ROTOR SUR L'INTENSITE ET LE COUPLE Intensité (I/In) Couple (C/Cn) 7 2,5 6 2 L'intensité au décollage est plus faible lorsque la résistance du rotor est plus élevée. L'augmentation de la résistance a pour effet de diminuer la pente de la partie utile de la caractéristique C = f(n) si bien que Cd peut- être égale à C maxi.

43 Ceci est très intéressant ; quand on veut un bon couple de démarrage sans augmentation de l intensité de démarrage, on augmente la résistance du rotor. ROTOR A DOUBLE CAGE * ce rotor comporte deux cages concentriques, l une extérieure assez résistante, l autre intérieure de résistance plus faible. * au début du démarrage, le flux étant de fréquence élevée, les courants induits circulent principalement dans la cage extérieure (effet pelliculaire). * en fin de démarrage, la fréquence du flux diminue, les courants induits circulent dans la cage intérieure. Le moteur a alors sensiblement les mêmes caractéristiques qu un moteur à rotor classique.

44 laiton h Démarrage h Marche normale cuivre Densité de courant J ROTOR A ENCOCHES PROFONDES J On utilise le même phénomène. Tout se passe comme si la section des conducteurs était réduite au démarrage. La résistance est donc augmentée, et le courant limité. h Démarrage h Marche normale Densité de courant J J

45 INFLUENCE DE LA TENSION D ALIMENTATION Le schéma équivalent d un moteur asynchrone (voir cours de physique) nous indique que l intensité est proportionnelle à la tension d alimentation. L expression du couple électromagnétique, nous indique que ce couple est proportionnel au carré de la tension d alimentation. I = k. U C = k.u 2 3.p. R/g C =. w (X.w) 2 + (R/g) 2 U 2 R/g Xw

46 Le choix du moteur asynchrone dépend : - de la machine entraînée (inertie, couple résistant, vitesse, axe vertical ou horizontal, type de service, température ambiante) - du réseau (tension, fréquence, surintensité admissible). Appel de courant admissible : Tout réseau est limité en puissance. Le réseau de distribution public triphasé 380 V autorise une intensité maximale de démarrage de 60 A, ce qui correspond à un moteur de 5,5 kw. Puissance du moteur :Le moteur devra fonctionner près de sa puissance nominale, le facteur de puissance et le rendement étant meilleurs à ce moment. Couple moteur :il devra être supérieur, à tout instant du démarrage, au couple résistant.

47 POURQUOI CHOISIR UN MOTEUR ASYNCHRONE * Pour disposer d'une Puissance utile supérieure aux puissances des moteurs synchrones. * Pour assurer un mouvement de rotation sans grande précision. * Pour sa robustesse, sa simplicité, son prix très faible, son entretien élémentaire. * Pour son raccordement direct sur le réseau d'alimentation.

48 V DEMARRAGE DIRECT - COMMANDE PAR CONTACTEUR 1 - Schéma des circuits de puissance et commande : Réseau triphasé 230 V - 50 Hz L1 L2 L3 PE Q1 F1-F2-F3 KM1 F Q1 14 F5 am T1 F6 am PE 2 1 F7 gi S2 F4 S A1 13 KM1 PE U1 V1 W1 M 3 ~ T1 : 220V/110V 100 VA

49 DOCUMENTATION CONSTRUCTEUR

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