LES MOTEURS ELECTRIQUES ET LEURS COMPOSANTS DE PUISSANCE ET COMMANDE Les moteurs électriques sont très répandus dans l industrie. La somme de leurs consommations représente 70% de la consommation industrielle. Ils sont utilisés pour fournir la puissance aux parties opératives des systèmes. Les éléments qui constituent l équipement de puissance d une application sont dimensionnés afin que le moteur puisse entraîner la charge conformément au cahier des charges. On y trouve : 1- CHARGE L application englobe l ensemble des éléments nécessaires à l entraînement de la charge dans un équipement industriel. Elle peut nécessiter une puissance allant de quelques centaines de watts à plusieurs mégawatts. 1.1.La chaîne cinématique : La chaîne cinématique décrit les éléments intervenant dans la transformation du mouvement du système. Elle permet par modélisation le calcul des performances mécaniques du système. Exemple : chaîne cinématique d un palan.
1.2.Le couple C est le couple ou moment des forces qui assure la rotation d un système. Il s exprime en newton-mètre (Nm). Le couple résistant est le couple qu oppose une charge au moteur. Ce couple dépend du type de l application et de sa vitesse. La connaissance du couple résistant est essentielle pour le dimensionnement du moteur. On dénombre 4 types de couple : 1.3.Le point de fonctionnement : Le point de fonctionnement détermine la vitesse de rotation et le couple pour un régime établi. Il est défini par le point de croisement des caractéristiques du couple moteur et du couple résistant. Le point de fonctionnement définit la vitesse nominale Nn et le couple nominal Tn lorsque l application fonctionne à 100% de ses capacités. 1.1.La puissance utile : La puissance utile mesure le travail accompli en une seconde. Elle s exprime en watts (W). La puissance mécanique utile est donnée par la relation suivante :
La puissance utile s exprime aussi en chevaux (HP-Horse Power-ou en CV-Cheval Vapeur). Conversion : 1CV=736 W 2.L ENTRAINEMENT : L entraînement est le dispositif qui transmet l énergie mécanique du moteur à la charge. Il adapte le couple et la vitesse du moteur à ceux de la charge. Exemples : 3.LE MOTEUR : Le moteur transforme l énergie électrique en énergie mécanique. Il est dimensionné : -pour travailler autour de son point de fonctionnement nominal -pour fournir le couple nécessaire à toutes les phases de fonctionnement -pour accélérer et freiner l application La technologie du moteur est déterminée selon les exigences de l application : allure du couple résistant, vitesse, couple, temps d accélération et de décélération. 4.LA COMMANDE DE L ENERGIE :
La commande de l énergie : -adapte les grandeurs du réseau électrique aux besoins du moteur, -protège le moteur Elle est dimensionnée pour la tension et l intensité nominale du moteur. Elle doit aussi supporter les pointes de d intensité occasionnées par les démarrages ou par les changements de régime. La technologie de la commande est déterminée selon le moteur à alimenter et les exigences de l application : vitesse fixe ou variables, gestion du couple, temps d accélération et de décélération. 5.LE RESEAU ELECTRIQUE : Le réseau électrique fournit la puissance électrique nécessaire à l alimentation de l équipement. Le réseau doit garantir une tension dans la limite autorisée (chute de tension autorisée par la norme), quelques soient les phases de fonctionnement. : -réseaux triphasés : 230V/400V 50Hz avec ou sans neutre -réseaux monophasés : 230V 50Hz -réseaux ou bus continus. L ENTRAINEMENT DES MACHINES 1.LES CARACTERISTIQUES D UNE CHARGE : Pour fonctionner, beaucoup de systèmes sont entraînés par des moteurs électriques. Le choix de ces moteurs s effectue à l aide des performances définies par le cahier des charges. 2.LA VITESSE : La vitesse définit la variation du mouvement de la charge en une seconde. Exemple : le vélo électrique
La vitesse des moteurs est généralement trop élevée pour entraîner directement les charges. Elle est adaptée avec un réducteur. Le rapport de réduction, appelé R, n a pas d unité. 3.LE COUPLE ET LA PUISSANCE : Le couple définit l effort nécessaire à appliquer à un axe pour l entraîner en rotation. Le couple se note T et s exprime en newton-mètre (N m). La puissance P est l unité de travail fournie en une seconde, elle s exprime en watt (W).
4.LA PUISSANCE MOTEUR ABSORBEE : Les documentations techniques indiquent toujours la puissance utile (puissance mécanique) des moteurs. La puissance absorbée est une puissance électrique. 5.L INERTIE : L inertie d un corps est sa propriété à s opposer à tout changement de mouvement. Plus un corps est massif, plus son inertie est importante. L inertie est définie par le moment d inertie J et s exprime en kg.m². Quelques exemples de calcul de moment d inertie :
6.LA DUREE DE DEMARRAGE : La durée de démarrage est le temps mis par l application pour passer de la vitesse nulle à la vitesse de fonctionnement nominale. L accélération est possible si le couple moteur Tm est supérieur au couple résistant Tr. Le couple accélérateur Ta=Tm-Tr L accélération sera plus rapide si l inertie de la charge est faible ou si le couple accélérateur est important. La durée du démarrage td (temps mis par la charge pour passer de la vitesse 0 à la vitesse Nn avec un couple accélérateur Ta constant) est égale à : Td : durée du démarrage en s J : moment d inertie total des masses en mouvement (moteur + charge) en kg.m² ramené à l axe Ωn : vitesse angulaire nominale en rad/s Ta : couple accélérateur en N m 7.LES QUADRANTS DE FONCTIONNEMENT : Les quadrants de fonctionnement précisent les conditions d entraînement de l application (de la charge). L étude du mode de fonctionnement sert au choix des alimentions des moteurs.
8.EXERCICE DE SYNTHESE :
LES MOTEURS ASYNCHRONES A CAGE Le moteur asynchrone à cage ou MAS est une machine robuste, économique à l achat et nécessitant peu de maintenance. En France, 14 millions de moteurs basse tension, de 0.15 kw à 1MW, sont installés. Le moteur asynchrone convertit l énergie en énergie mécanique grâce à des phénomènes électromagnétiques. 1.LES CARACTERISTIQUES D UN MAS TRIPHASE : 1.1.La plaque signalétique :
1.2.La constitution d un MAS : Un moteur asynchrone est constitué : -d une carcasse fixe contenant un circuit électromagnétique appelé stator -d une partie mobile appelée rotor qui entraîne la charge. 2.Le principe de fonctionnement d un MAS : Les enroulements du stator créent un champ magnétique, appelé champ tournant, qui interagit avec les conducteurs du rotor qui l entraîne en rotation. 2.1.Le circuit électrique du stator : Les enroulements du stator sont connectés à la plaque à bornes dans la boîte de raccordement électrique. Les enroulements peuvent être couplés en étoile (Y) ou en triangle (D) selon : -la tension du réseau -la tension supportée par les enroulements du moteur
Technologie du stator : 2.2.Le principe du champ tournant : C est le bobinage du stator qui détermine le nombre de pôle du champ tournant et la fréquence de rotation. Principe : L alimentation des enroulements du stator par un courant triphasé crée un champ tournant. Vitesse du champ tournant (vitesse de synchronisme) : Plus le nombre de paires de pôle est élevé, plus le rotor tourne lentement mais plus le couple est important pour une même puissance. Vitesse de synchronisme pour un réseau 50Hz :
2.3.Le circuit électrique du rotor (cage d écureuil) : Le circuit électrique du rotor d un moteur asynchrone à cage est composé de barreaux conducteurs court-circuités par des anneaux. Technologie du rotor : 2.4.Le fonctionnement de la cage d écureuil : Les conducteurs du rotor soumis au flux variable du champ tournant deviennent le siège de courants induits. Lorsqu un conducteur placé dans un champ magnétique est traversé par un courant, une force dite force de Laplace apparaît. Le couple de force ainsi créé entraîne le rotor en rotation. L emplacement des conducteurs à l intérieur du rotor influe sur la caractéristique mécanique du moteur.
3.LE GLISSEMENT : Pour qu il y ait création des forces de Laplace, le rotor doit tourner à une vitesse différente de celle du champ tournant. Le glissement g est la grandeur sans unité qui quantifie cette différence de vitesse. En fonctionnement normal, le rotor tourne toujours moins vite que la vitesse de synchronisme d où le nom de moteur asynchrone. Le glissement nominal est de l ordre de quelques %. 4.LE RENDEMENT : Le rendement d un moteur est le rapport entre la puissance utile (puissance mécanique fournie) et sa puissance absorbée (puissance électrique consommée). Le rendement des MAS varie de 70% à 96% selon la puissance. Rendement moteur : Comme la puissance utile est toujours inférieure à la puissance absorbée : 0 (0%) η < 1 (100%) Bilan des puissances et des pertes : L énergie consommée tout au long de sa durée de vie par un moteur asynchrone triphasé à cage représente 96% de son coût global d utilisation.
4.1.Les classes de rendement : Afin d améliorer l efficacité énergétique des moteurs, une directive européenne planifie les niveaux de rendement à atteindre dans le temps pour les machines vendues sur le marché européen. Les classes de rendement (IE..) définissent le niveau d efficacité des moteurs asynchrones basse tension : -IE1 : rendement standard -IE2 : rendement haut niveau (réduction de 15% des pertes par rapport aux moteurs de rendement standard) -IE3 : rendement premium -IE4 rendement super premium (à l étude). Pour les nouveaux équipements, le règlement européen 640/2009 stipule que les moteurs de 0.75kW à 375kW, le rendement IE2 est obligatoire depuis le 16 juin 2011 et le rendement IE3 depuis le 1 janvier 2015. C est en utilisant des matériaux plus performants que les fabricants diminuent les pertes moteur. 4.2.Les conditions d utilisation : Les constructeurs garantissent la puissance utile des moteurs dans les conditions normales d utilisation (tension et fréquences nominales, fonctionnement continu, température ambiante 40 C, altitude supérieure à 1000 m). Si les moteurs sont exploités dans des conditions différentes (température ambiante ou altitude supérieure), il est nécessaire de réduire la puissance utile pour que la température d équilibre des enroulements ne dépasse pas la température autorisée par la classe d isolation. Echauffements autorisés par les classes d isolation : Nature des services : S1 : fonctionnement à charge constante d une durée suffisante pour que l équilibre thermique soit atteint Type de construction :
4.3.Le déclassement : Le déclassement est la diminution de la puissance utile d un moteur. Elle est imposée par les caractéristiques de son fonctionnement et/ou de son environnement. P1/P=k avec P1= puissance utile nécessaire ; P= puissance utile du moteur ; k= coefficient de correction 5.LES MODES DE FIXATION : Afin de pouvoir fixer les moteurs aux bâtis des machines, les fabricants proposent toute une gamme de fixations normalisées.
6.MAINTENANCE : Les opérations de maintenance ou de réglage sur les moteurs requièrent des contrôles sur les paramètres électriques et mécaniques de la machine. 6.1.Le contrôle des paramètres électrique : Le contrôle des paramètres électriques permet de vérifier si le moteur fonctionne dans la plage de puissance attendue. Ces contrôles sont réalisés avec des analyseurs de puissance capables de mesurer en triphasé équilibré et de visualiser instantanément : -les tensions, les courants de ligne, le courant de démarrage -les puissances et les énergies absorbées -les harmoniques 6.2.La mesure de vitesse : Lorsqu une vérification ponctuelle de la vitesse s impose, on utilise un tachymètre. 6.3.Le contrôle de la température : Le contrôle de la température ou analyse thermique permet de détecter des échauffements anormaux dus à une surcharge du moteur, à l usure des roulements, à la détérioration des paliers moteur, etc. Elle est réalisée avec une caméra infrarouge qui mesure la température sans contact physique. L analyse peut être réalisée dans le cadre d une maintenance préventive. 6.4.Le contrôle vibratoire :
Le contrôle vibratoire est réalisé avec un accéléromètre. Il permet en analysant les vibrations de déceler : -l usure des roulements -les problèmes d alignement ou d équilibrage. Cette analyse peut être réalisée dans le cadre d une maintenance préventive conditionnelle. LES DEPARTS-MOTEURS Dans un coffret électrique, on trouve : -un interrupteur sectionneur cadenassable qui permet de consigner ou déconsigner l équipement de l extérieur -un appareil de protection des personnes (suivant le schéma de liaison à la terre) -les départs qui commandent et protègent les récepteurs. Si le récepteur est un moteur, on parle de départ-moteur. 1.LA STRUCTURE D UN DEPART-MOTEUR : Un départ-moteur comprend 4 fonctions de base. Il est possible d ajouter d autres fonctionnalités : la variation de vitesse, la communication. 2.Le départ-moteur à 4 produits :
2.1.Le sectionneur port-fusibles : Le sectionneur port-fusibles assure la fonction de sectionnement Cette fonction est préconisée mais non imposée à l origine de chaque départ-moteur (NFC 15-100, CEI 60364-5-53). Elle permet d isoler les circuits du réseau d alimentation de puissance et d assurer la protection des biens et des personnes en cas de maintenance, de dépannage ou de travaux électriques sur les circuits situés en aval. Le sectionneur est commandé manuellement et il doit assurer : -la coupure simultanée de tous les conducteurs actifs -la coupure visible ou pleinement apparente -la condamnation Le sectionneur n a pas de pouvoir de coupure ni de pouvoir de fermeture Critères de choix : -nombre de pôle (unipolaire+neutre, bipolaire, tripolaire, tétrapolaire) -tension assignée d emploi -calibre de l appareil : intensité maximale qu il peut supporter pendant un temps illimité -nombre de contact de pré-coupure -système de manœuvre et de verrouillage -taille des fusibles admis -protection contre la marche monophasée : dans ce cas les fusibles sont munis de percuteurs
2.2.Les fusibles : Les fusibles assurent la protection contre les courts-circuits. Dans les départs-moteurs, les fusibles utilisés sont de type am (accompagnement moteur). Ces fusibles sont reconnaissables à leur écriture verte. Critères de choix :
-type am -tension assignée -calibre -taille -avec ou sans percuteur 2.3.Le contacteur : Le contacteur permet de fermer (établir) et d ouvrir (interrompre) un circuit électrique en charge. Il est très utilisé car il offre l avantage de pouvoir être commandé à distance. Le contacteur doit être conforme aux normes CEI 60947-4-1. Symbole électrique : Constitution : Critères de choix : -la tension assignée d emploi (Ue) : en triphasé, il s agit de la tension entre phase -le courant assigné d emploi (Ie) : il est défini par le constructeur et peut être complété ou remplacé par la puissance assignée d emploi -la catégorie d emploi : elle tient compte de la nature du récepteur commandé et des conditions d établissement et de coupure de courant.
-le pouvoir assigné d ouverture et de fermeture : valeurs maximales de courant du courant que le contacteur peut établir ou interrompre. -l endurance électrique : elle définit la durabilité des contacts (nombre de cycles de manœuvre que les pôles peuvent effectuer sans remplacement (ou de la puissance à commuter). Accessoires : Le contacteur, constitué des pôles de puissance et d un ou deux contacts auxiliaires, peut être complété par un ou plusieurs blocs auxiliaires.
2.4.Le relais thermique de protection : Le relais thermique assure la protection de l équipement contre les surcharges. Les surcharges provoquent l échauffement des isolants et diminuent la durée de vie du moteur. Le relais thermique doit admettre les surcharges temporaires (démarrage) et ne déclencher qu en cas de surcharge anormalement longue. Il n a pas de pouvoir de coupure et commande l ouverture du contacteur à l aide de son contact NC placé en série avec la bobine. Symbole électrique : Constitution : Le relais thermique fonctionne sur le principe de 3 bilames qui se déforment sous l effet thermique de l intensité absorbée par le moteur.
Dans le cas d une coupure de phase, seules 2 bilames se déforment, ce qui entraîne le déclenchement du relais : protection différentielle. Courbes de déclenchement : Critères de choix : -plage de réglage : le courant de réglage thermique Ir doit être réglé sur le courant nominal du moteur. -classe : elle est définie par la durée de déclenchement pour un courant de 7.2 fois le courant de réglage. -classe 10A : temps de déclanchement compris entre 2 et 10s (moteurs à démarrage rapide). -classe 20A : temps de déclanchement compris entre 6 et 20s (moteur à démarrage long).
2.5.Les autres relais de protection : Les relais de protection remplacent ou complètent les appareils de protection des départs-moteurs. Ils n ont pas de pouvoir de coupure et sont associés à un appareil de commutation. Exemple d un réseau de communication autour d un relais multifonction :
2.6.La coordination des protections : La coordination des protections permet une association optimale des protections et du contacteur avec des coûts d équipement et de maintenance réduits. -dans la zone de surcharge, la protection thermique (1) protège l installation -dans la zone de court-circuit, les fusibles (2) protègent l installation. -ainsi protégée, la limite thermique du contacteur (3) n est jamais atteinte. Coordination totale : Dans ce cas, il n'y a aucune dégradation du matériel donc une continuité de service optimale. Cette coordination n'est réalisable qu'en solution 1 produit.
3-LE DEPART-MOTEUR A 3 PRODUITS :
Disjoncteur magnétique : Le disjoncteur magnétique assure la protection des installations contre les courts-circuits en coupant tous les pôles (dans la limite de son pouvoir de coupure). La détection du courant est réalisée par les déclencheurs magnétiques (1 par phase). Un seul suffit à commander l ouverture des pôles. Symboles : Courbes de fonctionnement : Pour des courants de court-circuit peu élevés, le disjoncteur moteur magnétique est plus rapide que les fusibles. Son rôle de limiteur contribue à améliorer la coordination. Critères de choix : -tension assignée -puissance normalisée du moteur
4-LE DEPART-MOTEUR A 2 PRODUITS : Disjoncteur moteur magnéto-thermique : -Le disjoncteur moteur magnéto-thermique est la combinaison d un disjoncteur magnétique et d un relais thermique. Il permet : -d isoler du réseau -de consigner -d assurer les fonctions de protection contre les surcharges et les courts-circuits. Par construction, les protections thermiques et magnétiques assurent une coordination de type 2. Symbole : Courbe de fonctionnement : Le seuil de déclenchement magnétique Im est fixe (environ 10 fois le courant de réglage maximum). Le seuil de déclenchement thermique Ir est réglable en face avant (sur le courant nominal du moteur à pratéger). Critères de choix : -puissance normalisée du moteur -tension assignée -plage de réglage : elle doit contenir le courant nominal du moteur.
5-LE DEPART-MOTEUR A 1 PRODUIT : Les démarreurs contrôleurs ou ACP (appareils de commande et de protection) assurent seuls les fonctions de base d un départ-moteur. Ils répondent à la norme CEI 60947-6-2. La coordination des protections dans ces appareils est totale. C est une solution à très haute performance. Un courtcircuit n occasionne pas de danger aux personnes et aux installations. Le redémarrage du départ-moteur peut être immédiat. Constitution : Ils sont constitués d un bloc de puissance intégrant la fonction commutation et la fonction communication, d unités de contrôle et de modules encliquetables.
6-LA SYNTHESE : Indiquer par une croix la ou les fonctions réalisées par les principaux matériels utilisés dans les départs-moteurs.