MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE

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1 MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE GENIE ELECTRIQUE

2 FICHE DE PREPARATION PEDAGOGIQUE Thème : MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE REFERENCE PROGRAMME Article 19 OBJECTIFS DE LA SEANCE - Identifier un moteur asynchrone triphasé. - Tracer des caractéristiques. - Décrire et utiliser les règles de branchement et de protection d un moteur asynchrone triphasé. - Mettre en œuvre une chaîne de démarrage. PRE-REQUIS - Circuit électrique en alternatif monophasé. - Adaptation en tension. - Réseau triphasé équilibré. - Grandeurs électriques d un circuit triphasé équilibré. SAVOIR NOUVEAUX - Principe de fonctionnement d un moteur asynchrone triphasé. - Démarrage d un moteur asynchrone triphasé. CONDITIONS DE REALISATION Supports : - Moteur asynchrone triphasé. - Maquette de principe de fonctionnement du moteur asynchrone triphasé - Maquette de démarrage du moteur asynchrone triphasé - Appareils de mesure ( voltmètre, ampèremètre ) - Exercice. CRITERES D EVALUATION

3 FICHE DE DEROULEMENT N OBJECTIFS ETAPES & DUREE CONTENUS PROFESSEUR ACTIVITES ELEVES MOYENS 1 2 -Identifier la fonction d un moteur asynchrone triphasé. -Savoir les domaines d utilisation d un moteur asynchrone triphasé. -Identifier les deux parties essentielles (rotor, stator) d un moteur asynchrone triphasé -Savoir les deux modes de couplage (étoile, triangle) des enroulements du stator -Savoir le principe de fonctionnement d un moteur asynchrone triphasé -Savoir les caractéristiques d un Mise en situation 10 mn Phases d apprentissage 190 mn -Les domaines d utilisation d un moteur asynchrone triphasé -Constitution d un moteur asynchrone triphasé -Couplage des enroulements du stator -Principe de fonctionnement -Vocabulaires et formules -Bilan de puissances -Présenter et faire fonctionner le tour et la fraiseuse -Montrer les moteurs et leurs alimentations -Montrer le rotor et le stator -Montrer le couplage des enroulements du stator de moteur de la perceuse -Présenter la maquette du -Observer l alimentation et le fonctionnement des moteurs asynchrones triphasés -Observer -Vérifier le couplage des enroulements -Mesurer les tensions du réseau -Lire les indications sur la plaque signalétique du -Tour -Fraiseuse -Perceuse -Moteur asynchrone triphasé d une perceuse -Maquette de principe de fonctionnement -Transparents + rétroprojecteur

4 moteur asynchrone triphasé -savoir démarrer un moteur asynchrone triphasé ( direct, étoile triangle) -Caractéristiques I=f(n) et T=f(n) -Application -Démarrage d un moteur asynchrone (direct :un et deux sens étoile-triangle :un et deux sens) principe de fonctionnement -faire les expériences -aider les élèves à comprendre le principe -Présenter les maquettes de démarrage -Aider les élèves à faire le câblage moteur de la perceuse -Prendre notes -observer et constater et conclure d après les expériences -Faire le câblage et démarrer le moteur -résoudre l application Maquettes démarrage moteur asynchrone triphasé de de 3 -Evaluer EVALUATION 20 mn -Exercices -Fournir l énoncée de l exercice -Guider aider les les élèves à trouver la solution exacte -Lire attentivement l énoncée de l exercice -Penser à la solution -Prendre la correction -Transparents + Rétroprojecteur

5 Article : 19 B - MOTEURS ASYNCHRONE TRIPHASE OBJECTIFS SPECIFIQUES : Identifier un moteur asynchrone triphasé Tracer des caractéristiques Décrire et utiliser les règles de branchement et de protection d un moteur asynchrone triphasé. Mettre en œuvre une chaîne de démarrage. A PRESENTATION : L actionneur électrique le plus utilisé dans les équipements automatiques et les machines outils ( exemple : tour, fraiseuses ) est le moteur asynchrone triphasé à cage ( ou à rotor en court-circuit). B 1 CONSTITUTION : Figure 1 Figure 2

6 B 1-1 ROTOR Le rotor : partie tournante solidaire de l'axe du moteur. Figure 3 Il comprend des conducteurs parallèles à son axe lui donnant l'aspect d'une cage d'écureuil. Ces conducteurs sont parcourus par des courants induits : courants de Foucault. Des tôles empilées en cylindre forment le circuit magnétique du rotor. Rotor à cage Figure 4 Figure 5 Figure 6 B 1-2 STATOR Le stator : partie fixe constituée par la carcasse du moteur sur laquelle sont montées des bobines ou enroulements. Figure 7 Figure 8 Figure 9

7 Les enroulements sont au nombre de trois et sont décalés de 120. Le stator produit un champ magnétique tournant. Figure 10 Les enroulements du stator sont couplés soit en étoile, soit en triangle. Sur des nombreux moteurs, les deux couplages sont réalisables et donnent au moteur la possibilité de fonctionner avec deux systèmes différents de tensions triphasées. Exemple : Si chaque enroulement peut supporter une tension de 220 v - sur un réseau 127/220 v, on couplera en triangle. - Sur un réseau 220/380 v, on couplera en étoile. La plaque à bornes du moteur à toujours les entrées des enroulements repérées U, V, W et les sorties correspondantes X, Y, Z qui sont raccordées comme la figure suivante ( Figure 11 ) : Entrées U V W Sorties Z X Y Figure 11 Alimentation triphasée Alimentation triphasée U V W U V W Z X Y Z X Y Figure 12 Figure 13 Couplage étoile Couplage triangle

8 B 2 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : B 2-1 EXPERIENCE 1 : Un aimant en U est en rotation au dessus d une aiguille aimantée. Figure 14 Constatation : - L aiguille aimantée tourne à la même vitesse (n) que l aimant permanent. Interprétation : - L aimant en U en rotation produit un champ magnétique tournant à vitesse (ou fréquence) n appelée vitesse synchrone. B 2 2 EXPERIENCE 2 : L aimant est remplacé par trois bobines disposées de 120 l une par rapport à l autre, et alimentées par des tensions alternatives triphasées. Figure 15 Constatation : - L aiguille aimantée continue à tourner à la même fréquence de rotation (n) Interprétation : Les trois bobines alimentées en triphasé produisent un champ magnétique tournant à la même fréquence n. B 2 3 EXPERIENCE 3 : L aiguille aimantée est remplacé par un disque ( ou cylindre ) métallique.

9 Constatation : - Le disque tourne dans le même sens que le champ tournant, mais à une vitesse ( ou fréquence ) n légèrement inférieure à la vitesse synchrone n Interprétations : - Le champ magnétique tournant (crée par les 3 bobines) balaye le disque créant dans celui-ci des courants induits ( courants de Foucault). - Ces courants induits soumis au champ magnétique donnent naissance à un couple moteur qui entraîne la rotation de disque. - Le sens de rotation est tel qu il tend à s opposer à la variation du champ magnétique ( loi de Lenz ). Conclusions : - En moteur asynchrone triphasé, le champ tournant est obtenu par trois bobinage fixés dans le stator, décalés géométriquement de 120 et parcourus par des courants alternatifs présentant le même décalage électrique. - Le disque est remplacé par un rotor dont les conducteurs seront le siège des courants induits. Ceux ci réagiront sur le champ tournant en donnant un couple moteur qui entraîne la rotation. B 3 VITESSE ET GLISSEMENT : - La fréquence de rotation de champ tournant ( vitesse synchrone ) est donnée par l expression suivante : - La vitesse angulaire : n = f P Figure 16 f : Fréquence du réseau triphasé en Hz n : Fréquence de rotation en tours/seconde P : Nombre de paires de pôles crées par le Stator. f W W : Pulsation en rd/s W = 2..n = 2.. = W : Vitesse angulaire en rd/s P P

10 - Glissement : Le rotor tourne un peu moins que le champ tournant; en notant n sa fréquence ( ou vitesse ) de rotation et W sa vitesse angulaire. On appelle g glissement d un moteur asynchrone le rapport de la fréquence ( ou vitesse ) de glissement n g à la fréquence ( ou vitesse ) synchrone n. n g n n W - W g = = = n n W B 4 BILAN DES PUISSANCES, RENDEMENT ET COUPLE Figure 17

11 P a Stator P tr Rotor P u P js P fs a) Bilan des puissances au stator : P jr P c Puissance électrique absorbée par le stator : P a = U.I 3.cosj Pertes par effet Joule dans le stator : P js =(3/2).r.I 2 ( quel que soit le couplage ) P js =3.R.I 2 (cas du couplage étoile ) P js =R.I 2 (cas du couplage triangle ) R : résistance de l enroulement statorique r : résistance mesurée entre deux bornes. Pertes fer ( pertes par hystérésis et par courants de Foucault) : P fs Puissance transmise au rotor : P tr =P a ( P js + P fs ) = C. W C : Couple électromagnétique b) Bilan des puissances au rotor : Pertes par effet Joule dans le rotor : P jr =g. P tr Pertes constantes : pertes mécaniques + pertes fer : Pc Puissance mécanique utile : P u =P tr ( P js + P c ) = C. W c) Bilan total des puissances : P a =P u + P js + P jr + P fs + P c d) Rendement du moteur asynchrone : Pu h = = 1 - P a Pertes P a e) Couple électromagnétique Ptr P mr C = = W W

12 B 5 CARACTERISTIQUES : B 5 1 Caractéristique I = f(n) Figure 18 Interprétation : Cas de démarrage direct : Surintensité au moment de démarrage. Le courant de démarrage I D est de 4,5 à 6 fois plus grand que le courant nominal. Cas de démarrage étoile-triangle : L appel de courant au moment du démarrage est le tiers de l appel au démarrage direct en triangle. Le courant de démarrage I D est de 1,5 à 2 fois plus grand que le courant nominal. Le moteur fonctionne en étoile jusqu au point (1), où s effectue la commutation en triangle provoquant la pointe de courant indiquée. Remarque : En cas de démarrage automatique, le relais temporisé qui commande la commutation est réglé de façon à n agir qu après le point (1).

13 B 5 2 Caractéristique T u = f(n) Figure 19 Interprétation : Cas de démarrage direct : Au moment de démarrage, le couple moteur est en moyenne 1,5 à 2 fois le couple nominal. Cas de démarrage étoile-triangle : Le couple étant proportionnel au carré de la tension appliquée. La tension étant U/ 3, le couple est sensiblement 3 fois plus faible qu en démarrage direct. T D = 0,2 à 0,5.T n Le couple résistant est représenté par la ligne traitillé fin. Remarque : Il est nécessaire que la machine à actionner demande un faible couple pendant le démarrage, ce qui est par exemple, valable pour les machines outils démarrant à vide. Si le couple résistant de la machine à entraîner donne la courbe en trait point, le moteur n atteint que la moitié de sa vitesse, on devrait alors commuter sur triangle, ce qui donnerait une pointe de courant considérable. Il faut donc s assurer que le couple résistant s adapte aux particularités du démarrage étoile triangle.

14 B 5 3 APPLICATION : On donne les caractéristiques en charge d un moteur asynchrone triphasé de puissance nominale 3 Kw, tension nominale 380v, 50Hz. Pour le point de fonctionnement nominal, déterminer graphiquement : Sa fréquence de rotation n Son rendement h. Son facteur de puissance cosj. Le courant absorbé I. Calculer : La puissance absorbée P a. Le glissement g Figure 20 Le couple utile T u.

15 B 6 DEMARRAGE UN ET DEUX SENS DE ROTATION B 6 1 Démarrage direct : Le moteur est branché directement sur réseau. Ce type de démarrage est adapté aux moteurs de faible puissance ( moins de 3 Kw en 220 v et de 5.5 Kw en 380 v ) Un seul sens de rotation Deux sens de rotation Circuit de puissance Circuit de commande Circuit de puissance Circuit de commande L 1 L 2 L L 1 L 2 L 3 L 1 Q 3 Q L 1 Q F 1 Q : Sectionneur. Q F 1 F 2 KM KM : Contacteur de ligne. S 1 F 2 KM 1 KM 2 S 1 1KM 2 RT RT : Relais thermique. S 2 1KM RT S 2 1KM 1 S 3 U V M 3 ~ W M : Moteur Asynchrone L 2 Q KM U V M 3 ~ W KM 1 : Contacteur sens avant KM 2 : Contacteur sens arrière L 2 KM 1 Q KM 2

16 B 6 2 Démarrage étoile-triangle: Ce procédé ne peut s appliquer qu aux moteurs dont toutes les extrémités d enroulement sont sorties sur la plaque à bornes, et dont le couplage triangle correspond à la tension du reseau. Q Circuit de puissance L 1 L 2 L 3 KM 1 Un seul sens de rotation Le démarrage s effectue en deux temps : - 1 èr temps : Mise sous tension et couplage étoile des enroulements. Le moteur démarre à tension réduite U ème temps : Suppression du couplage étoile et mise en couplage triangle. Le moteur est alimenté en pleine tension U. Q : Sectionneur. Circuit de commande L 1 KM 1 : Contacteur de ligne. KM 3 : Contacteur de couplage étoile. KM 4 : Contacteur de couplage triangle. Q S 1 F 1 F 2 RT RT : Relais thermique. : Verrouillage mécanique. 1KM 1 2KM 1 S 2 1KM 3 U V Z X W Y KM 4 KM 3 1KM 4 2KM 3 L 2 Q KM 1 KM 3 KM 4

17 Deux sens de rotation Circuit de puissance Circuit de commande Q L 1 L 2 L 3 L 1 Q F 1 F 2 S 1 KM 1 KM 2 S 2 S 3 1KM 2 3KM 1 3KM 2 RT 1KM 1 1KM 5 2KM 5 1KM 3 U V Z X W Y KM 4 KM 3 L 2 Q 2KM 2 2KM 1 2KM 3 KM 1 KM 2 KM 3 KM 4 KM 5 KM 5 : Relais auxiliaire

18 B 7 EXERCICES : - Un moteur asynchrone triphasé 220 v, 50 Hz, absorbe un courant I = 20 A sous un facteur de puissance de 0,82 et tourne à la fréquence de 1430 tr/mn. On néglige les pertes du stator ; calculer : a Le nombre de paires pôles p... b Le glissement g.. c Le rendement h... - Un moteur asynchrone triphasé porte les indications suivantes : 220v/380v, 50Hz, 720 tr/mn. Le moteur est alimenté par un réseau de 220v ( 3 fils ). Déterminer : A Le couplage à réaliser, Justifier.. b Le nombre de paires de pôles du stator p.. c Le glissement g.