Cours electricite : le moteur asynchrone triphase
CREATION D’UN CHAMP MAGNETIQUE TOURNANT
Chaque bobinage produit donc un champ magnétique alternatif sinusoïdal. Ce champ a une direction fixe (axe du bobinage) et un module variable (il est maximum quand le courant est maximum).
A tout instant, ce champ est la résultante de deuxchamps de module constant (la moitié de la valeur du champ maximum) qui tournent en sens inverse à la vitesse w.
Cas N°1
Le champ tournant résultant tourne dans le sens Horaire à la vitesse ns
Cas N°2
Le champ tournant résultant tourne dans le sens Anti-Horaire à la vitessens
CONSTITUTION
Le moteur asynchrone comprend deux parties distinctes:
LE STATOR
C'est la partie fixe du moteur. Il est constitué d'une carcasse sur laquelle est fixée une couronne de tôles d'acier de qualité spéciale munies d'encoches. Des bobinages de section appropriée sont répartis dans ces dernières et forment un ensembled'enroulements qui comporte autant de circuits qu'il y a de phases sur le réseau d'alimentation
LE ROTOR
C'est la partie mobile du moteur. Il est placé à l'intérieur du stator et est constitué d'un empilage de tôles d'acier formant un cylindre claveté sur l'arbre du moteur. Parmi les types les plus usités on distingue:
Le rotor à cage (rotor en court - circuit)
$ Rotor à simple cage.
Dans des trous ou dans des encoches disposées versl'extérieur du cylindre et parallèlement à son axe sont placés des conducteurs. A chaque extrémité, ceux-ci sont raccordés sur une couronne métallique. L'ensemble a l'aspect d'une cage d'éceuril.
$ Rotor à double cage
Ce rotor comporte deux cages concentriques, l'une vers l'extérieur assez résistante, l'autre intérieure de résistance plus faible. Au début du émarrage,d le flux étant à fréquence élevé, les courants induits s'opposent à sa pénétration dans al cage intérieure. Le couple produit par la cage extérieure résistante est important et l'appel deourantc réduit.
En fin de démarrage,la fréquence diminue dans le otor,le passage du flux à travers la cage intérieure est plus facile le moteur se comporte alors sensiblement comme s'il était construit avec une seule cage peu résistante.
Document: Leroy-Somer
Le rotor bobiné (rotor à bagues)
Dans des encoches pratiquées sur les tôles constituant le rotor sont logés des enroulements identi-ques à ceux du stator. Généralement le rotorest triphasé.
Une extrémité de chacun des enroulements est reliéà un point commun (couplage étoile). Les extrémités libres peuvent être raccordées sur unupleurco centrifuge ou sur trois bagues en cuivre isolées et solidaires du rotor. Sur ces bagues viennent frotter des balais en graphite raccordés au dispositif de démarrage.
Document : Leroy-Somer
PLAQUE SIGNALETIQUE
Sur la plaque signalétique,le constructeur indique:
$ le type du moteur $ puissance utile
$ vitesse de rotation $ facteur de puissance
$ tension d'utilisation - couplage $ caractéristiques de construction
PUISSANCE ET COUPLE
VITESSE
Pour les fréquences industrielles 50 Hz et 60 Hz les vitesses de rotation du champ tournant ou de synchronisme, en fonction du nombre de pôles sont les suivantes.
|
Moteur à : | En 50 Hz | En 60 Hz | ||
| deux pôles | 3000 | tr/mn | 3600 | tr/mn |
|
quatre pôles | 1500 | tr/mn | 1800 | tr/mn |
| six pôles | 1000 | tr/mn |
1200 | tr/mn |
| huit pôles | 750 | tr/mn | 900 | tr/mn |
| dix pôles |
600 | tr/mn | 720 | tr/mn |
| douze pôles | 500 | tr/mn | 600 |
tr/mn |
IMPLANTATION DES BOBINAGES COUPLAGE
Moteur rotor à cage (rotor en court - circuit)
CARACTERISTIQUE DE CONSTRUCTION
Classe d’isolation
On considère une tempèrature ambiante maximum de 45°C
…
Service
Le service du moteur est défini par l'indication des régimes successifs auxquels il est soumis et qui dépendent:
- du temps de fonctionnement “régime nominal.”
- des démarrages ( durée - nombre).
- des freinages.
- des variations de la charge.
Les services types normalisés par l 'U T E sont au nombre de 8:
| LEGENDE | |
| N Fonctionnement au régime nominal |
R Repos |
| D Démarrage ou accélération | O température en service continu |
| F Freinage électrique | Oa Température du milieu efroidissant |
| V Fonctionnement à vide | N ou N1 |
| Fonctionnement au régime normal | |
|
N2 ou N3 |
POINT DE FONCTIONNEMENT
Evolution du Couple moteur en fonction de la vitesse
caractéristique Cu = f ( n )
Le couple maximum n'est pas obtenu au démarrage mais pour une vitesse de rotation égale à 75 % de la vitesse de synchronisme.
Point de fonctionnement du moteur
Le point de fonctionnement correspond au point d’intersection de la caractéristique Cu = f (n) du moteur avec la caractéristique Cr = f (n) du système entrainé.
INSTALLATION D’UN MOTEUR
Un départ moteur comprend un ensemble d'appareillages qui assurent la commande et la protection du moteur, ainsi que la protection du départ lui même.
Quatre fonctions de base imposées par les normes, sont réparties entre les différents appareils.
Le sectionnement
Son rôle est d'isoler du réseau amont tous les conducteurs actifs, afin de permettre au personnel d'entretien, d'intervenir sans dangersur le départ et le moteur.
La protection contre les courts-circuits
Détection, et coupure la plus rapide possible des courants élevés de court-circuit pour éviter la détérioration de l'installation.
La protection contre les surcharges
Détection des courants de surcharge et coupuredu départ, avant que l'élévation de température du moteur et des conducteurs n'entraîne la détérioration des isolants.
La commutation
Commande du moteur manuelle ou automatique, compte tenu des surcharges au démarrage même à cadence élevée et pour une durée de vie importante.
DEMARRAGE
DEMARRAGE DIRECT
C’est un procédé de démarrage simple obtenu en unseul temps ; le stator du moteur est couplé directement sur le réseau. Le moteur démarre sur se caractéristiques naturelles avec une forte pointe d’intensité qui va provoquer une chute de tension.
La norme impose pour cette chute de tension une limite de
Ce procédé est idéal dans la mesure où la pointe intensitéd' est acceptable et si le couple initial de démarrage du moteur (fixé par le type de construction de son rotor et en général voisin de 1,5 Cn ) convient à la mise en route de la machine.
Ce dispositif permet de démarrer des machines mêmeà pleine charge.
Il est particulièrement indiqué pour des machines de petite et moyenne puissance:
P<6 KW
Situation des départs terminaux
A condition de remplir les fonctions essentielles, on dispose de plusieurs solutions.
SOLUTION 1
Association Sectionneur ou Interrupteur , Fusibles , Contacteur , Relais thermique
Sectionneur porte fusibles
Il est actionné par l'intermédiaire d'une poignéed commande, placée indifféremment à droite ou à gauche, solidaire de la partie mobile.
Il présente deux positions stables,correspondant l'une à la fermeture, l'autre à l'ouverture du circuit. En position "ouverture" il réalise la séparation des circuits commande et puissance avec une distance de sectionnement conforme à la norme NFC 63 130 - CEI 9473.
Il doit être manœuvré en l'absence de courant car li n'y a aucun pouvoir de coupure au niveau des pôles de puissance.
Les contacts auxiliaires incorporés sont de type précoupure et doivent être obligatoirement insé-rés dans le circuit de commande des contacteurs.
Des broches de sectionnement ou des fusibles peuvent équiper les pôles de puissance.
Un dispositif de verrouillage en position ouverture est prévu d'origine sur tous les sectionneurs.
Le fusible étant incorporé au sectionneur, le personnel est protégé lors d'un échange de fusible et le sectionneur est protégé en cas de court-circuit.
Interrupteur sectionneur
Il réalise la fonction sectionnement et permet la fermeture et la coupure manuelle d'un circuit en charge CEI 9473.
Contacteur
C'est un relais de puissance permettant l'ouverture ou la fermeture en charge d'un circuit de puissance.
NFC 63110 - CEI 9474 et 9471. Il comprend:
- une bobine (en alternatif ou en continu).
- des pôles principaux (circuit de puissa nce).
- des contacts auxiliaires (circuit de commande).
Les contacts auxiliaires
Ils assurent les auto-alimentations, les verrouillages ainsi que la signalisation dans les équipements d'automatisme.
Il en existe plusieurs versions:
Les pôles principaux
Ils sont chargés d'établir ou de rompre le courant électrique sur le circuit de puissance.
En conséquence, ils sont dimensionnés pour permettr le passage du courant nominal du contac-teur en service permanent sans échauffement anormal.
Ils comportent une partie fixe et une partie mobile, cette dernière munie de ressorts qui transmettent une pression convenable au niveau des contacts. Ceux-ci sont soit à simple coupure soit à double coupure.
Les pôles sont généralement équipés de contacts argent-oxyde de cadmium, matériaux inoxidables dont la résistance mécanique et la résistance à l'arc sont remarquables.
Ils sont le plus souvent complétés par un dispositif facilitant l'extinction de l'arc qui prend naissance entre la partie fixe et la partie mobile, lorsque le contacteur " coupe en charge ".
Critères de choix d'un contacteur
Le choix d'un contacteur est fonction :
- de la nature et de la tension du réseau,
- de la puissance installée,
- des caractéristiques de la charge,
- des exigences du service désiré,
Il est aussi indispensable de tenir compte de l'endurance mécanique et de l'endurance électrique des pôles du contacteur.
Pour les services permanents ou des récepteurs autres que des moteurs, c'est le courant de pleine charge qui doit être considéré.
Définitions
Intensité nominale thermique
Valeur la plus élevée du courant (en alternatif valeur efficace) qu'un circuit de contact préala-blement fermé est capable de supporter en permanence pour satisfaire aux règles relatives à l'échauffement .
Intensité de fermeture
Valeur la plus élevée du courant (en alternatif valeur efficace) qu'un contact peut établir.
Pouvoir de coupure
C'est la valeur la plus élevée du courant quele contacteur peut couper à sa tension nominale sans détérioration.
Il s'exprime en VA
V tension après coupure A courant avant coupure
Endurance mécanique
C'est le nombre de manœuvres à vide, c'est -à- dire sans courant traversant les contacts prin-cipaux, que le contacteur est susceptible d'effectuer sans aucun entretien.
Endurance électrique
C'est le nombre de manœuvres en charge que le contacteur est susceptible d'effectuer sans entretien, cette endurance dépend de la catégorie 'emploi,d du courant nominal d'emploi et de la tension nominale d'emploi.
Relais thermique
Utilisables en alternatif et continu, ils sont destinés à assurer une protection thermique contre les surcharges faibles et prolongées. Ils sont en général:
| 1 | 3 |
5 | 97 |
| 95 | |||
| 2 | 4 | 96 | 98 |
| 6 |
Chaque relais comprend trois bilames constituéeschacune de deux métaux invar et ferronickel, dont le cœfficient de dilatation est trés différent. Un enroulement chauffant, raccordé en série avec chaque phase du moteur et dont la section est fonction de l'intensité à contrôler est bobiné sur chaque bilame et en provoque la déformation.
La bilame de compensation, indépendante des bilames principales et soumise uniquement à la température de l'air ambiant se déforme en fonctiondes variations de celle-ci. Montée en oppo-sition avec les bilames principales, elles-mêmes influencées par les variations de la température ambiante, sa déformation compense celle de ces dernières. De ce fait, le déplacement que doit ef-fectuer l'ensemble des éléments thermiques pour provoquer le déclenchement du relais est le mê-me pour des variations de température comprises entre - 20 et + 70°C.
Le dispositif différentiel provoque le déclenchement du relais lorsque les courants traversant les trois bilames ne sont pas identiques. Le déclenchement est d'autant plus rapide que la différence est grande.
courbe de déclenchement d'un relais thermique
Fusibles
Les fusibles assurent une protection phase par phase avec un pouvoir de coupure important sous un petit volume. Ils se classent en deux catégories:
• Cartouches type distribution Classe gG
Ces cartouches fusibles d'usage général permettentà la fois la protection contre les court circuits et contre les surcharges pour les circuits qui ne présentent pas de pointes de courant importantes (chauffage par exemple).
Le calibre de la cartouche doit être de la valeur mmédiatement supérieure au courant de pleine charge du circuit protégé.
• Cartouches type moteur Classe aM
Elles sont destinées à assurer seulement la protection contre les court-circuits sur les appareils présentant de fortes pointes d'intensité comme lesmoteurs asynchrones il est indispensable que la protection contre les surcharges soit assurée par un autre appareil.
En effet une cartouche aM traversée par une intensité de 2 à 3 fois supérieure à son calibre chauffe mais ne fond pas.
Le calibre de la cartouche aM doit être choisie pour que son association avec l'élément de pro-tection thermique assure une protection convenable à la charge.
Courbe de fusion d'un fusible
Fonctionnement du fusible
Quant un fusible coupe un court-circuit il existe deux périodes distinctes:
- Le temps de préarc est la période ou le court-ircuit qui se développe fait chauffer l'élément calibré sans que celui-ci atteigne son point de fusion, le phénomène est encore réversible.
- Le temps d'arc est la période ou l'élément calibré qui vient de se couper fond sous l'effet de l'arc électrique jusqu'a ce que les éléments entourant l'élément calibré éteignent l'arc électrique.
Pour avoir une bonne sélectivité des protections dans une installation il faut vérifier que la con-trainte thermique de pré-arc du fusible amont soit supérieure à la contrainte thermique d'arc du fusible aval.
Association des protections
Sectionneur (Sectionnement)
Fusibles (Protection contre les courts-circuits)
Contacteur (Commutation automatique à d istance)
Relais thermique (Protection contre les surcharges)
Exercice
Une installation comprend quatre moteurs qui peuvent fonctionner simultanément. On commande les pré-actionneurs par des boutons poussoirs.
On signale par un voyant la rotation du moteur.
On dispose d’un réseau 380 V triphasé avec le neutr et la terre. Le circuit de commande est alimenté en 24 V / 50 Hz.
Moteur M1
RéférenceMJUK 90L4 220 / 380 V démarrage direct deux sens.
SOLUTION 2
Association Sectionneur-disjoncteur, Contacteur, Relais thermique
Sectionneur - disjoncteur
Il réalise l'isolement et la protection contre lesC C des départs moteurs jusqu'à 37 KW sous 380 V.
Principe de fonctionnement
Chaque pôle comporte outre les contacts (fixe et mo bile) une bobine avec noyau plongeur et un écran rotatif lié mécaniquement au noyau plongeur.
Lors de l'apparition d'un court-circuit, le noyau plongeur est brutalement attiré et l'écran vient s'interposer entre les deux contacts.
Avantages de cette solution:
- coupure ultra rapide 2,3 ms.
- extinction de l'arc électrique dès sa naissance.
- impossibilité de soudure des pôles.
Sécurités
Visualisation de l'état de fonctionnement de 2 façons:
- position du bouton de commande.
- visualisation directe de l'état des contacts .
Sécurité omnipolaire, le déclenchement d'un pôle provoque instantanément l'ouverture des autres. Dispositif de consignation / cadenassage en position sectionnée.
Dialogue avec les automatismes par blocs de contacts auxiliaires:
- indication marche/arrêt.
- indication déclenchement sur défauts.
Courbe de déclenchement
Association des protections
Sectionneur-disjoncteur :
- Sectionnement
- Protection contre les CC
Contacteur
- Commutation automatique à distance
Relais thermique
- Protection contre les surcharges
Exercice
Les caractéristiques de l’installation sont celles de la solution 1
Moteur M2
RéférenceMJUK 132S4 380 / 660 V
démarrage direct un sens.
Pour le contacteur, on désire une durée de vie électrique de 0,5M minimum, il sera en service mixte
SOLUTION 3
Association Disjoncteur-moteur magnéto-thermique, Contacteur
Disjoncteur - moteur magnéto - thermique
Ils protégent les moteurs contre les surcharges etles surintensités,ils sont modulaires: $ disjoncteur moteur GV1- M** protection des moteurs jusqu'à 11 KW en 380 V. gamme de courant thermique de 0,1 à 25 A. pouvoir de coupure magnétique de 5 à 100 KA. $ additif limiteur 100 KA GV1- L3
$ déclencheur à minimun de tension GV1-B** $ déclencheur à émission de tension GV1-D**
$ dispositif de cadenassage du bouton marche GV1-V02
Courbe de déclenchement
Association des protections
Disjoncteur-moteur
- Sectionnement
- Protection contre les CC
- Protection contre les surcharges
Contacteur
- Commutation automatique à distance
Exercice
Les caractéristiques de l’installation sont celles de la solution 1
Moteur M3
RéférenceMJTL 160 Mr2
220 / 380 V démarrage direct deux sens.
Pour les contacteurs en service AC3, on désire unedurée de vie électrique de 5M minimum.
SOLUTION 4
Contacteur disjoncteur intégral
Il réalise à lui seul un départ moteur complet .Ilintègre dans un encombrement réduit, l'ensemble des fonctions nécessaires aux circuits terminaux jusqu'à 63 A conformément aux normes en vigueur.
Sectionnement
Il est effectué par les pôles principaux LD1 ou par des pôles spécifiques LD4. Dans ce dernier cas on peut verrouiller en position sectionnée par cadenassage.
Contacteur
Emploi jusqu'à 30 KW sous 380 V / 50 Hz en catégorie AC3.
Module magnéto-thermique
Une gamme de modules interchangeables permet l'adaptation de la protection contre les surcharges et les surintensités moyennes à la puissance du moteur.
Disjoncteur-limiteur
Pour la protection contre les court-circuits,son pouvoir de coupure est de 50 KA efficaces en 1,7 ms sous 380 V 50 Hz.
Blocs additifs
Ils permettent d'assurer une signalisation complète, un réarmement électrique à distance, un déclenchement à minimum de tension ou à émission de tension.
Courbe de déclenchement
Exercice
Les caractéristiques de l’installation sont celles de la solution 1
Moteur M4
RéférenceMJUK 90 L2 380 / 660 V démarrage direct un sens .
DEMARRAGE ETOILE TRIANGLE
Ce démarrage ne peut s'appliquer qu'aux moteurs dont le couplage triangle correspond à la tension du réseau
Le procédé consiste à démarrer le moteur en étoile, couple et le courant de démarrage sont alors divisés par trois.
Le démarrage étoile-triangle convient donc bien auxmachines démarrant à vide ou à couple résistant de type parabolique.
Au second temps, la suppression du couplage étoile est suivie du couplage triangle. Chaque enroulement est alors alimenté sous la pleine tension du réseau , le moteur rejoint ses caracté-ristiques naturelles.
Il faut remarquer que le courant est discontinu dans les bobinages du moteur, en effet il est interrompu quand on passe du couplage étoile au couplage triangle. Etant donné les caractéristiques trés inductives des enroulements, le passage de l'étoile au triangle s'accompagne de pointes de courant transitoires trés importantes.
Au delà de 30 KW il est conseillé d'utiliser un autre moyen de démarrage.
Exercice
Détermination pour le moteurMJUK 100 Lr4
- de la protection contre les surcharges,
- de la protection contre les CC.
DEMARRAGE PAR DEMAREUR STATIQUE
A l'aide d'un gradateur de puissance on contrôle pendant la phase de démarrage la montée progressive de la tension appliqué au moteur.
On ne travaille que sur la tension, la fréquence est maintenue constante.
La montée progressive de la tension de sortie peut être, soit contrôlée par une rampe d'accélération, soit asservie à la valeur du courant de limitation.
Dans certains cas le démarreur statique peut aussi contrôler la phase d'arrêt il est alors démarreur ralentisseur il assure:
$ le démarrage en douceur du moteur asynchrone triphasé à cage, sans les à-coups mécaniques et sans pointe de courant.
$ l'arrêt en douceur ou l'arrêt freiné du moteur.
Dans tous les cas il doit être monté en série avecun organe de coupure et de protection contre les courts-circuits, la protection thermique est intégrée au démarreur.
Le dialogue opérateur est réalisé par:
- un ensemble de voyants de couleurs différentes permettent de suivre l'état du cycle.
- des contacts de relais permettent de faire de l'alarme ou de la surveillance déportée (API).
Caractéristiques:
Démarrage
Courant de démarrage réglable de 2 à 5 fois le courant nominal du moteur Rampe d’accélération réglable de 1 à 30 secondes
Possibilité de démarrer avec l’option “bosster”
Arrêt
Arrêt naturel par coupure de l’alimentation
Ralentissement avec rampe de décélération réglable de 2 à 60 secondes
Freinage par injection de courant continu réglable de 0.5 à 30 secondes
Protections intégrées
Protection thermique du moteur
Protection thermique du démarreur
Détection des déséquilibres et absence de phases
Performances
Permet le contrôle de moteurs asynchrones tripha sés de 1.5 KW à 800 KW.
DEMARRAGE PAR RESISTANCES ROTORIQUESmoteurs à bagues
Les couplages électriques des enroulements statoriques vis-à-vis du réseau ne sont pas modifiés au cours du démarrage.
On insére dans le circuit rotorique un ensemble de résistances qui seront ensuite court-circuitées progressivement.
La valeur des résistances permet d'ajuster le couple et le courant à la valeur désirée.
Pas de phénomènes transitoires pendant le démarragemais il y a dissipation dans les résistances. Le courant absorbé est sensiblement proportion-nelau couple fourni.
Valeurs typiques:
Id = 2 In
Cd = 2 Cn
Le moteur à bagues, avec démarrage rotorique, s'impose chaque fois que l'on doit démarrer des machines en charge avec une pointe de courant limitée.
FREINAGE
FREINAGE PAR ELECTRO-FREIN
L'arbre transmetteur du mouvement est bloqué par undispositif actionné par un électro-aimant.Le moteur est alors désigné "moteur frein".
Suivant le mode d'alimentation,on distingue des freins à manque de courant ( l'arbre est bloqué en l'absence de l'alimentation), et à émission de courant (l'arbre est libre en absence d'alimentation). Mécaniquement ils sont à bande ou a machoire.
REMARQUES:
Représentation d’un moteur frein
FREINAGE PAR FREIN A COURANT DE FOUCAULT
En réglant l'intensité d'exitation du frein on module son action, celle ci diminue avec la vitesse de rotation du frein.
Le frein à courant de foucault ne permet pas de ten ir l'arrêt c'est un ralentisseur. L'échauffement des disques est important, d'où necessité d'une ventilation efficace
FREINAGE PAR CONTRE COURANT
Aprés avoir isolé le moteur du réseau, alors qu'iltourne encore, on le reconnecte sur le réseau en ayant permuté deux phases. Ce mode de freinage est trés efficace mais il impose des contraintes mécaniques et thermiques impor-tantes. Il est réservé aux arrêts de sécurité AU.
Pour limiter les contraintes on peut mettre en série avec le stator ( moteur à cage ) ou avec le rotor ( moteur à bagues) des résistances pendant la périodede freinage.
Un dispositif doit contrôler l'arrêt du moteur pour couper le freinage au moment ou la vitesse approche le zéro sinon on repart en sens inverse.
FREINAGE PAR INJECTION DE COURANT CONTINU
On injecte dans le stator préalablement séparé duéseaur du courant continu. Il va créer un champ magnétique fixe dans l'espace donc développer dansle rotor qui tourne des courants induits de freinage.
Pour que le freinage soit convenable le courant continu injecté doit être environ 1,3 In ,sa valeur module l'efficacité du freinage.
Le moteur avec ce type de freinage ne repart pas en sens inverse ( sauf si la charge est entrainante). Pour éviter les échauffements inutiles,il est conseillé de couper le courant dans le moteur une fois le freinage réalisé.
SOMMAIRE
PRINCIPE
CREATION D’UN CHAMP MAGNETIQUE TOURNANT
CONSTITUTION
Stator
Rotor
Plaque signalétique
Puissance et couple
Vitesse
Implantation des bobinages couplage
Caractéristiques de construction
Point de fonctionnement
INSTALLATION D’UN MOTEUR
DEMARRAGE
Démarrage direct
Démarrage étoile triangle
Démarrage par démarreur statique
Démarrage par résistances rotoriques
FREINAGE
Utilisation d’un électro frein
Utilisation d’un frein à courant de Foucault
Freinage par contre courant
Freinage par injection de courant continu
Utilisation d’un système électronique
PROTECTION PAR SONDES THERMIQUES
Utilisation de thermistances
Utilisation de pastilles bimétalliques
