COURS : STRUCTURE ET FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR ASYNCHRONE 1 PRÉSENTATION 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). Exemple d'un moteur asynchrone triphasé : - Puissance utile : 7,6 kw - Poids : 67 kg - Longueur : 64 cm - Diamètre : 31 cm M 3 4 RAPPELS SUR LE RÉSEAU TRIPHASÉ 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 DISTRIBUER Energie d'entrée 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 : La puissance utilisable est de type mécanique (rotation) caractérisée par : B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 1 / 6
5 FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR ASYNCHRONE 5.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 5.2 DÉFINITIONS / RELATIONS 5.2.1 FRÉQUENCE DE ROTATION, VITESSE ANGULAIRE La fréquence de rotation N de l'arbre moteur est liée à la vitesse angulaire ω : - N : fréquence de rotation en tr/min - ω : vitesse angulaire en rad/s 5.2.2 FRÉQUENCE DE SYNCHRONISIME Ns (ROTATION DU CHAMP TOURNANT) C'est la fréquence de rotation du champ tournant qui entraîne le rotor : Donc, pour un moteur asynchrone la fréquence de rotation dépend de : Ns : fréquence de synchronisme en tr/min f : fréquence du réseau d'alimentation en Hz p : nombre de paires de pôles par phase 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 fréquence 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. L'inversion du sens de rotation du rotor s'obtient en inversant le sens du champ tournant : 5.2.3 GLISSEMENT g Le glissement exprime la différence entre la fréquence de synchronisme et la fréquence réelle du rotor 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 : g : glissement Ns : fréquence de synchronisme en tr/min N : fréquence de rotation du rotor en tr/min Pu : puissance utile en W Cu : couple utile en N.m ω : vitesse angulaire en rd/s B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 2 / 6
5.3.2 PUISSANCE ABSBORBÉE PAR LE MOTEUR Pa 5.4.2 INTERPRÉTATION Pa : puissance absorbée en W U : tension entre phases en V I : intensité par phase en A ϕ : déphasage entre courant et tension 5.3.3 RENDEMENT η 5.4 COURBES CARACTÉRISTIQUES 5.4.1 COUPLE UTILE EN FONCTION DE LA FRÉQUENCE DE ROTATION Couple (Nm) 6 MOTEURS ASYNCHRONES MONOPHASÉS Ces moteurs sont utilisés dans des applications domestisques (moteurs de machines à laver, ouvre-portail...). 6.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Un enroulement alimenté par un courant sinusoïdal (système monophasé) produit un champ magnétique équivalent à deux champs tournant en sens inverse : 0 N (tr/min) Identification des points caractéristiques du fonctionnement : Cm : couple maximal Cd : couple de démarrage Cn : couple nominal Nn : fréquence de rotation nominale Ns : fréquence de synchronisme Ng : fréquence de rotation 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. B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 3 / 6
7 APPLICATIONS Calculer la fréquence de synchronisme Ns : 7.1 IDENTIFICATION DES CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES D'UN MOTEUR ASYNCHRONE À PARTIR DE SA PLAQUE SIGNALÉTIQUE 7.2 Calculer la valeur du glissement g : 7.2.3 CALCUL DE LA PUISSANCE D'ENTRÉE Calculer de deux façons différentes, la puissance Pa absorbée par le moteur : 7.2.1 IDENTIFICATION DES CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES Relever les informations portées sur la plaque signalétique : Puissance utile, Pu = Fréquence de rotation, N = rendement, η = 7.3 CALCUL DE FRÉQUENCE DE ROTATION D'UN MOTEUR Un moteur asynchrone possédant deux pôles est alimenté en courant alternatif 50 Hz Calculer la fréquence de synchronisme Ns : coéfficient de déphasage, cos ϕ = 7.2.2 CALCUL DU GLISSEMENT Le moteur est équipé de 2 paires de pôles. Calculer sa fréquence de rotation N si le glissement est de 5% : Relever la fréquence de fonctionnement du réseau d'alimentation f : B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 4 / 6
8 COMMANDE DE DÉMARRAGE D'UN MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASÉ 8.1 DESCRIPTION DES FONCTIONS 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 Description Protège les personnes contre les contatcs indirects. 8.3 IDENTIFICATION ET SYMBOLISATION DES CONSTITUANTS DU CIRCUIT DE COMMANDE Constituant 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" Ce contact est commandé par le relais thermique. Il coupe l'alimentation des bobines de contacteur lorsque le relais thermique a détecté un défaut. 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 Permet la commande à distance des pôles principaux (contacteurs de puissance) KM1 et KM2. 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. 8.4 DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT DU MONTAGE - ÉQUATIONS DE COMMANDE DE MARCHE DU MOTEUR (KM1 ET KM2) Commute et coupe des courants de forte valeur. 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. B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 5 / 6
9 CIRCUITS ÉLECTRIQUES DE PUISSANCE ET DE COMMANDE B2. PROPOSER OU JUSTIFIER UN MODELE page 6 / 6