A- MISE EN SITUATION
1- Présentation du système : Cintreuses industrielle de production
Alors que les tubes se cintrent encore au sable, l’industrie invente une machine permettant de cintrer les tubes à froid sans remplissage. La première cintreuse est née. Elle fonctionne par emboutissage avec un système de vérin à vis actionné par un cliquet.
En complément des outillages standards proposés pour les tubes les plus courants, les industriels étudient et réalisent à la demande des outillages spécifiques apportant des solutions adaptées à chaque problème de cintrage.
Le cintrage par enroulement permet de cintrer tous les tubes, avec des rayons plus courts que ceux utilisés pour le cintrage par emboutissage, et d'obtenir une meilleure qualité de cintrage. Il est particulièrement recommandé pour les tubes minces utilisés pour le mobilier et la serrurerie (tubes qualité 102, tubes suivant norme NFA 49-642) et les tubes inox 304, 316 etc...
.
Pour des dimensions importantes du tube à cintrer l’effort devient important et ne peut être fourni par des muscles humains. Il est alors indispensable de motoriser la machine en confiant le travail pénible à un vérin hydraulique alimenté par un compresseur entraîné par un moteur électrique asynchrone.
2- Problèmes posés :
a) Qu’est ce qu’un moteur asynchrone ?
b) Quel moteur asynchrone peut-on choisir pour une application industrielle ? c) Quel équipement doit on utiliser pour alimenter et protéger un moteur
asynchrone dans son environnement de production ?
tube droit Cintrer un tube cintré tube rond
W électrique Opérateur
Cintreuse Réglages
Chapitre B3
Leçon B 3 Les moteurs asynchrones triphasésB- PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRÔNE 1- Phénomène de champ tournant :
L’aimant en forme de U en rotation autour d’un axe vertical avec ses deux pôles NORD et SUD en déplacement phy-sique crée dans l’espace un champ magnétique tournant.
Ce même phénomène peut être obtenu autrement en plaçant trois bobines physiquement fixes dans l’espace disposées à 120°l’une par rapport à l’autre et alimentées par un réseau alternatif triphasé.
Br est un champ de module constant tournant à la vitesse angulaire Ωs. Il est la résultante des 3 champs pul-sants B1, B2 et B3 créés par les 3 bobines.
2- Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone :
Le principe du champ tournant créé par trois électro-aimants disposés à 120° est retenu car l’intensité de l’induction résultante Br dans ce cas peut être importante. Le décalage des électroaimants est déduit du déphasage relatif entre les trois tensions V1, V2 et V3 qui vaut 2π/3.
Activité
Réaliser l’activité pratique N°1 du TP-B3 dans le manuel d’activités Il s'agit de comparer le fonctionnement :
d’une aiguille aimantée
d’un disque en cuivre ou en aluminium placés au milieu de trois bobines alimentées en courant alternatif.
A un instant t quelconque on a :
Chapitre B3
Leçon B 3 Les moteurs asynchrones triphasés Les trois bobines sont fixes. Elles constituentle stator du moteur. La partie tournante doit pouvoir suivre le champ tournant et est appe-lée rotor. Elle peut être assimiappe-lée à un aimant placé dans l’axe géométrique de l’ensemble.
Sa vitesse serait alors égale à la vitesse de rotation du champ magnétique. L’aiguille et le champ tournent à la même vitesse. On dit alors qu’il sont en synchronisme
avec f=50Hz pour le réseau STEG
Ce système n’est pas stable car si on soumet le rotor à un couple résistant, il devient incapable de suivre le champ tournant et par conséquent il décroche.
En remplaçant l’aimant par un disque métallique (aluminium, cuivre ou alliage léger) il est placé à l’arrêt dans un champ variable. Il est alors parcouru par des courants induits et sera donc soumis à un ensemble de forces de Laplace qui tenteront de le faire tourner dans le sens de rotation du champ magnétique.
ωs = 2πf
Mouvement relatif entre disque et champ Courants induits
Forces de Laplace Rotation du disque
ralentissement du disque ΝΟΝ Ω=Ωs
OUI
C- CONSTITUTION D’UN MOTEUR ASYNCHRONE A ROTOR EN COURT-CIRCUIT
1- Le stator (figure ci-dessous) :
Il est constitué de trois enroulements (bobines) parcourus par des courants alternatifs triphasés. Chaque bobine est divisée enp tranches réparties sur tout le stator et appelés paires de pôles. La vitesse de rotation du champ magnétique tournant dépend du nombre p de paires de pôles du stator.
Ωs: vitesse synchrone de rotation du champ tournant en rad.s-1. ω: pulsation des courants alternatifs en rad.s-1.
ω= 2.π.f
p : nombre de paires de pôles.
2- Le rotor (figure ci-contre) :
Le rotor est constitué d’un empilage de tôles minces en fer découpé pour créer des encoches.
Il n’est relié à aucune alimentation. Il peut être bobiné ou en cage d’écureuil :
Chapitre B3
Leçon B 3 Les moteurs asynchrones triphasésActivité
Réaliser l’activité N°2 du TP-B3 dans le manuel d’activités
Il s'agit d’identifier les différents éléments qui constituent un moteur asynchrône à rotor en court-circuit disponible au laboratoire :
Ωs= ω p
Chapitre B3
Leçon B 3 Les moteurs asynchrones triphasés - rotor bobiné pour les machines de fortespuissances :
Les tôles de ce rotor sont munies d’encoches où sont logés des conducteurs formant des bobinages.
On peut accéder à ces bobinages par l’intermédiaire de trois bagues et trois balais.
- rotor à cage d’écureuil pour les machines de moyenne ou faible puissance : Il est constitué de barres conductrices très souvent
en aluminium. Les extrémités de ces barres sont réunies par deux couronnes également conductri-ces.
On dit que le rotor est en court-circuit. Sa résistance électrique est très faible.
Le rotor tourne à une vitesse Ω plus petite que la vitesse de synchronisme Ωs.
On dit que le rotor «glisse» par rapport au champ tournant.
Ce glissementgva dépendre de la charge (couple mécanique résistant).
ns: vitesse de rotation de synchronisme du champ tournant (tr.s-1).
n : vitesse de rotation du rotor (trs.s-1).
Ωs= 2πnS(rad.s-1) et Ω= 2πn(rad.s-1) Exemple :
Soit un réseau triphasé (f=50Hz) alimentant un moteur asynchrône à trois paires de pôles (p=3) :
ns= 50/3 = 16,7trs/s = 1000 trs/min A charge nominale ce moteur tourne à 950 trs/min :
gn= (1000 - 950)/1000 = 0,05=5%
A vide (pas de charge), la vitesse n est voisine de ns : gvide= 0
Au démarrage (n = 0) :
g = 1 = 100%
g == =Ωs− Ω Ωs
ns −n ns
D- BRANCHEMENT D’UN MOTEUR ASYNCHRÔNE SUR LE RESEAU 1- Couplage du stator :
Le problème consiste à adapter le bobi-nage du moteur à la nature du réseau sur lequel il sera branché.
La plaque signalétique poinçonnée visi-ble sur le corps du moteur indique princi-palement la tension que peut supporter chaque bobine.
Exemple :
- sur une plaque signalétique d’un moteur on lit : 380 V
Δ
.- le réseau est en 220V / 380 V.
De la plaque signalétique on déduit que la tension nominale d’une phase du moteur est de 380V.
Si on branche ce moteur en étoile, la tension au borne d’une phase sera de 220 V ce qui est insuffisant.
Conclusion :
ce moteur peut être branché uniquement en triangle sur le réseau 220/380V Remarque :
Actuellement tous les moteurs supportent 380 V par phase. Ils supportent même sou-vent 400 V et 415 V, car le réseau STEG évolue progressivement vers ces tensions.
2- Inversion du sens de rotation :
Pour inverser le sens de rotation d’un moteur asynchrone triphasé, il suffit d’inverser deux fils d’alimentation du moteur.
Chapitre B3
Leçon B 3 Les moteurs asynchroneschaque
E- FONCTIONNEMENT À VIDE
A vide le moteur n’entraîne pas de charge.
La puissance utile est nulle :Pu = 0 W
Le glissement est presque nul et le moteur tourne à la vitesse de synchronisme.
A vide : g ≈ 0 et donc n ≈ ns
Le facteur de puissance à vide est très faible (cosϕ < 0,2) et le courant absorbée reste fort (P est petite et Qest grande). On parle alors de courant réactif ou magnétisant (ils sert à créer le champ magnétique).
La puissance active absorbée est faible. Elle est transformée totalement en chaleur :
dans le stator à cause des pertes par effet joule : si Iest le courant par phase et Rsa résistance alors la somme des pertes joules dans le stator estPjs=3R I2
NB :Si Ra est la résistance mesurée entre deux entrées de la plaque à bornes alors quel que soit le couplage choisi et pour un courant par phase I les pertes joules statoriques sont : Pjs=3/2 Ra I2.
dans les paliers à cause du frottement entre des pièces mécaniques.
dans la masse métallique à causes des effets de l’hystérésis et des courants de Foucault qui sont des pertes qui dépendent de la fréquence du réseau.
Pour une fréquence donnée, les deux dernières pertes sont pratiquement constantes et ne dépendent pas de la charge. Elles ne sont pas calculables. Elles sont déterminées par des essais.
Chapitre B3
Leçon B 3 Les moteurs asynchrones triphasésActivité
Réaliser l’activité N°3 du TP-B3 dans le manuel d’activités
Il s'agit de déterminer pour un moteur asynchrone tournant à vide : le courant à vide
les pertes constantes
la vitesse de rotation et le glissement.
Activité
Réaliser l’activité N°4 du TP-B3 dans le manuel d’activités
Il s'agit de déterminer pour un moteur asynchrone tournant en charge : la vitesse de rotation et le glissement
la puissance active absorbée par le moteur les pertes joules statoriques
la puissance transmise le couple électromagnétique la puissance utile.
F- FONCTIONNEMENT EN CHARGE 1- Conditions de fonctionnement :
En charge, le moteur entraîne en rotation un mécanisme quelconque
(Exemple: compresseur de la cintreuse).
Le glissement est important et le moteur tourne à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme :
g > 0 et doncn < nS
La puissance utile est fonction de la charge entraînée. Si la charge présente un couple résistant Tr, la puissance mécanique utile Pu est alors :
Pu = Tr.Ω
(avec Tr en Newton et Ω en rd.s-1)
Lorsqu’on modifie la charge, le couple utile et la vitesse de rotation du rotor varient simulta-némént. La fonction qui lie ces deux grandeurs physiques est donnée par la courbe caracté-ristique suivante appelée caractécaracté-ristique mécanique.
Le facteur de puissance en charge est élevé. Le stator appelle un courant actif important et le moteur absorbe davantage de puissance active :
Les pertes joules dans le stator augmentent car le courant dans les bobinages est important.
Les pertes constantes (mécaniquesPmet magnétiques Pfsau stator et Pfrau rotor) restent les mêmes qu’à vide.
Le stator transmet au rotor une puissance électromagnétique appelée puissance transmise qui est notée Ptr : Ptr = Pa – pjs – pfs.
Chapitre B3
Leçon B 3 Les moteurs asynchrones triphasésBroyeur de déchets plastiques
Pa = 3.U.I. Cos avec U tension entre deux bornes du moteur en V I courant de ligne en A
Le stator exerce sur le rotor un couple électromagnétique appliquant ainsi un ensemble de forces sur ses conducteurs qui le font tourner à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme. Ce couple doit être suffisant pour entraîner la charge accouplée au moteur.
La puissance électromagnétique Pem = Tem.Ω est transformée en puissance mécanique dont une faible partie est perdue par frottement au niveau des paliers et toute la puissance restante devient disponible sur l’arbre du moteur.
Elle est appelée puissance mécanique utile.
2- Point de fonctionnement :
Pour que le moteur puisse fonctionner normalement le point de fonctionnement stable doit se situer sur la partie linéaire de la caractéristique mécanique. Le point de fonctionnement correspond à l’intersection de cette partie linéaire Tu = f(n) avec la caractéris-tique de la charge Tr = f(n).
Le point de fonctionnement peut être déterminé gra-phiquement ou par calcul en mettant en équation les parties linéaires des deux caractéristiques.
Exemple : Cas d’une charge ayant un couple résis-tant proportionnel au carré de la vitesse.Tr = c.n2
Tu = Tr ⇒ a.n + b = c.n2
Finalement, il faut résoudre une équation du second degré : c.n2- a.n - b = 0
En étudiant les deux solutions trouvées, on retiendra celle du cadran positif.
G- BILAN ENERGETIQUE D’UN MOTEUR ASYNCHRONE
En remplaçant le stator et le rotor par deux modèles fonctionnels équivalents, un moteur asynchrône peut être dans ce cas représenté par le schéma suivant :
Chapitre B3
Leçon B 3 Les moteurs asynchrones triphasésTem = Ptr
1s avec Tem : couple électromagnétique en Nm Ptr : puissance transmise en W
Ωs : vitesse angulaire de synchronisme en rd.s-1
Pu = Pem – pm
Le rendement du moteur est donné par le rapport de la puissance utile Pu disponible sur l’arbre à la puissance Pa :
L’établissement du bilan permet de calculer :
G- VARIATION DE VITESSE D’UN MOTEUR ASYNCHRONE 1- Domaine d’utilisation des moteurs asynchrones :
Le moteur asynchrone triphasé, dont la puissance varie de quelques centaines de watts (perceuse d’établi) à plusieurs mégawatts (Traction ferroviaire) est le plus utilisé de tous les moteurs électriques. Son rapport coût/puissance est le plus faible.
Associés à des onduleurs de tension, les moteurs asynchrones de forte puissance peuvent fonctionner à vitesse variable dans un large domaine (les derniers TGV de l’Europe...).
Toutefois l’emploi de ce type de moteur est à éviter en très forte puissance (P>10MW) car la consommation de puissance réactive est alors un handicap.
2- Fonctionnement à vitesse constante :
Le moteur est relié au réseau par un certain nombre de dispositifs de sécurité et de commande : - Le sectionneur d'isolement avec fusibles permet de déconnecter le moteur du réseau pour des opérations de maintenance par exemple. Il protège également le dispositif en aval contre les risques de court circuit grâce aux fusibles.
- Le contacteur permet d'alimenter le moteur avec une commande manuelle ou automatique avec un automate programmable.
- Le relais thermique protège le moteur contre les surcharges de courant, l'intensité maximale admissible est réglable.
Remarques : en électroménager (exemple : lave-linge) la vitesse des moteurs asynchrones n’est pas réglée par un onduleur, mais ces moteurs possèdent plusieurs bobinages. Il est alors possible de changer le nombre de paires de pôles et donc la vitesse.
Chapitre B3
Leçon B 3 Les moteurs asynchrones triphasésPuissance absorbée
Pa = 3.U. I. Cos
Puissance transmise Ptr =Pa - p - p = T .js fs em1s
Pertes joules stator p =3
2 . R . I le couplage
js a
2
Pertes fer stator Pfs est déterminée par un essai à vide
Puissance mécanique PM= Ptr – pjr – pfr= Tem.Ω
Pertes fer rotor pfrnégligée (fréquence des courants rotoriques très faible)
Pertes joules rotor
Pertes mécaniques pMest déterminée par un essai à vide η d=Pu
Pa=1 -pertes Pa