Transcript démarrage asynchrone

Transformateur et machines tournantes
Les machines tournantes
Démarrage des moteurs asynchrones
0.52-05
Introduction
Les moteurs asynchrones sont très utilisés pour l'entraînement des machines. Au démarrage, deux problèmes
antagonistes se posent :
- Un appel de courant est si important qu'il peut être nécessaire de réduire afin de limiter les chutes de tension en
ligne.
- Le couple de démarrage est-il suffisant, pour vaincre le couple résistant qui peut être très important dans le cas
d'une machine entraînée comportant une très forte inertie.
L'idéal est d'avoir au démarrage un courant faible et un couple important, mais ce sont deux phénomènes
contradictoires.
C'est le problème du mode de démarrage des moteurs que nous vous proposons d'étudier.
Sommaire
page
1.
Généralités .....................................................
2
2.
Le démarrage direct (moteur à cage) .....
3
3.
Le démarrage étoile triangle (moteur à
cage) ..............................................................
4
4.
Le démarrage par auto-transformateur
(moteur à cage)............................................
8
Le démarrage rotorique à résistances
(moteur à bagues)........................................
9
5
6.
Calcul de la résistance rotorique ............... 11
7.
Exercice d'application résolu ...................... 16
8.
Exercice à développer................................. 17
9.
Synthèse.......................................................... 19
10.Résultats des exercices à développer.......... 20
11.Auto-évaluation................................................ 21
Transformateur et machines tournantes - Les machines tournantes
1. Généralités
Lorsqu'un moteur entraîne une machine, cette
dernière présente un couple résistant Cr qui peut
varier en fonction de la vitesse et dont la loi de
variation dépend du type de machine entraînée. On
distingue trois types d'allure de caractéristiques
mécaniques (fig. 1).
• Allure constante
C'est le cas des engins de levage, par exemple
celui d'une grue.
• Allure parabolique
C'est le cas des ventilateurs, des pompes
centrifuges.
• Allure hyperbolique
C'est le cas des essoreuses, des concasseurs.
Pour que le moteur puisse démarrer, il est nécessaire que le couple de démarrage ou de décollage
qu'il fournit soit au moins supérieur au couple résistant de décollage de la machine entraînée.
Un moteur est défini par :
- la puissance nominale (celle utilisable sur l'arbre du moteur)
- le couple nominal Cn
- le courant nominal In
- la vitesse nominale vn
- le couple de démarrage admissible Cd
- le courant de démarrage admissible Id
- généralement les constructeurs indiquent les rapports.
Cd
Cn
et
Id
In
Pour avoir des éléments de comparaison, nous travaillerons au cours de ce document avec un
même type de moteur. Les axes des courbes de variation seront gradués sous forme de rapports :
• L'axe de la vitesse =
2
v
v(synchronisme)
Démarrage des moteurs asynchrones triphasés 0.52-05
La vitesse de synchronisme correspond à celle du champ tournant, c'est la vitesse maximale que
peut atteindre le moteur, elle correspond à un glissement nul.
• L'axe du courant =
I
In
Ceci signifie que pour un rapport de 1 le courant absorbé par le moteur est égal au courant
nominal.
• L'axe du couple =
C
Cn
Il se construit comme l'axe du courant.
Pour le moteur utilisé, nous avons alors les deux types de courbes indiqués par la figure 2.
2. Le démarrage direct (moteur à cage)
C'est le système le plus simple qui consiste à brancher directement le moteur sous la tension du
réseau. Le moteur démarre sur ses caractéristiques naturelles avec une très forte pointe d'intensité.
Cette dernière est de courte durée si l'inertie de la machine entraînée est faible. La vitesse est stabilisée
lorsque le couple moteur est égal au couple résistant.
3
Transformateur et machines tournantes - Les machines tournantes
La figure 3 indique les caractéristiques du couple et du courant en fonction de la vitesse.
Pour cet exemple nous avons au démarrage les rapports suivants :
Cd
= 1, 5
Cn
Id 6
= =6
In 1
Ce procédé de démarrage est utilisable lorsque le réseau supporte l'appel de courant de démarrage
et que la machine entraînée permet un démarrage rapide.
3. Le démarrage étoile triangle (moteur à cage)
Afin de réduire le courant de démarrage, les enroulements du stator sont alimentés sous une
tension réduite.
Par exemple pour un moteur 380/660 V, au démarrage les enroulements sont alimentés en étoile
puis ils sont commutés pour une alimentation en triangle (fig. 4).
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Démarrage des moteurs asynchrones triphasés 0.52-05
Pour une alimentation en étoile chaque bobine est alimentée par la tension simple :
V=
U
3
=
380
3
= 220V
En triangle elles sont alimentées par la tension composée : U = 380 V.
3.1
Incidence sur le couple
CU =
Le couple utile est donné par la relation :
 R 2 
 g 
3m 2V12
Ω  R 2
 2 + X2
 g 
C u = KV12
soit
V1 représentant la tension appliquée aux bornes de chaque bobine, nous avons :
• en étoile
C u = KV12
• en triangle
C u = KU 2 = K V1 3
(
)
2
= 3KV12
Conclusion
Pour le montage étoile la caractéristique du couple est trois fois moins importante que celle
du montage triangle.
Nous obtenons les courbes indiquées par la figure 7a.
3.2
Incidence sur le courant statorique et le courant de ligne
IY
Nous avons :
JY
Pour le montage étoile (fig. 5) le courant de
ligne IY est égal au courant statorique JY.
La tension V1 est égale à
d'où
IY =
U
U
IY
V1
JY
U
3
V
U
=
Z Z 3
U
IY
JY
5
Transformateur et machines tournantes - Les machines tournantes
I∆
Pour le montage triangle (fig. 6) la
tension aux bornes de chaque bobine est
égale à U.
J∆
U
Le courant de ligne I∆ est :
I∆ = J∆ 3 =
U 3
Z
Le rapport des courants du montage
étoile et triangle.
U
IY
U
Z
1
Z 3
=
=
×
=
I∆
U 3 Z 3 U 3 3
Z
I∆
U
U
I∆
IY 1
=
I∆ 3
Conclusion
Pour le montage étoile la caractéristique du courant de ligne est trois fois moins importante
que celle du montage triangle.
Nous obtenons alors les courbes caractéristiques indiquées par la figure 7b.
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Démarrage des moteurs asynchrones triphasés 0.52-05
3.2
Commutation étoile triangle
Les bobines du stator sont couplées en étoile
au moment du démarrage et lorsque le moteur
atteint presque sa vitesse de régime les bobines
sont couplées en triangle. La figure 8 indique le
schéma simplifié de la commutation nécessaire.
En tenant compte de la commutation qui s'effectue à peu près à 80 % de la vitesse de
régime, nous obtenons les courbes de variation du courant et du couple en fonction de la
vitesse, ce sont celles indiquées en traits gras sur la figure 9.
Remarques
•
Pour ce cas de figure, le courant de démarrage est à peu près égal à deux fois le courant
nominal et le couple correspondant est la moitié du couple nominal.
•
Le courant fourni par le réseau est discontinu ; en effet, il est interrompu au moment de
l'ouverture du contacteur étoile pour se rétablir brutalement au moment du couplage triangle
(pleine tension).
Les variations importantes de courant se traduisent par de fortes surtension aux bornes des
contacteurs.
7
Transformateur et machines tournantes - Les machines tournantes
Ce type de démarrage est utilisé pour les moteurs de quelques kW démarrant à vide ou
presque, machines outils, machines à bois, ventilateurs.
4. Le démarrage par auto-transformateur (moteur à cage)
Afin d'éviter les variations importantes de courant citées précédemment, on utilise, pour les
moteurs de puissances importantes, une commande par auto-transformateur triphasé (fig. 10).
•
Au premier temps
Les bobines du stator sont
alimentées par l'intermédiaire d'un
auto-transformateur. Le moteur est
alors sous-alimenté, comme il le
serait pour un couplage en étoile.
•
Au deuxième temps
La partie secondaire de l'autotransformateur étant déconnectée,
seule
subsiste
une
bobine
connectée en série avec un
bobinage du stator. Elle a pour
effet d'éviter une coupure de
courant.
•
Au troisième temps
Le moteur est connecté directement sur le réseau.
L'allure des courbes de variation du couple et du courant en fonction de la vitesse est sensiblement
la même que pour le montage étoile triangle (fig. 11).
La figure 12 indique un schéma simplifié pour un tel démarrage.
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Démarrage des moteurs asynchrones triphasés 0.52-05
Schéma simplifié de branchement
Le diagramme ci-dessous indique l'état des contacteurs pour la mise en mode de démarrage du
moteur.
Pour
K=0
le contacteur est ouvert
K=1
le contacteur est fermé
5. Le démarrage rotorique à résistances (moteur à bagues)
Ce type de démarrage concerne uniquement les moteurs à bagues ou
encore à rotor bobiné.
Lors de l'étude de ces moteurs nous avons montré qu'en fonction de la
valeur de la résistance R :
- Le couple conserverait une même valeur maximale mais pour
différentes valeurs de vitesses ;
- Le couple de démarrage augmente avec la valeur de la résistance.
La figure 15 indique pour différentes valeurs de résistance les caractéristiques du courant et de
couple en fonction de la vitesse.
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Transformateur et machines tournantes - Les machines tournantes
Si, par exemple le couple résistant est constant (c'est le cas d'une grue), nous remarquons qu'au
démarrage la résistance nécessaire doit être égale à 2R.
Le démarrage rotorique à résistances, consiste à commuter des résistances en fonction de la
vitesse, pour atteindre une résistance nulle lorsque le moteur atteint sa valeur nominale.
La figure 16 indique pour trois valeurs
de résistance, les commutations nécessaires
en fonction du temps. On obtient alors les
courbes de variation indiquées par la
figure 17.
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Démarrage des moteurs asynchrones triphasés 0.52-05
En examinant ces courbes nous remarquons que le courant de démarrage est seulement égal 1,5
fois le courant nominal, alors qu'il serait 6 fois plus important pour un démarrage avec rotor en courtcircuit. De plus le couple au démarrage est égal à 1,4 fois le couple nominal.
Ce type de démarrage est intéressant pour les moteurs de puissances importantes et pour des
couples résistants au démarrage qui sont supérieurs au couple nominal du moteur.
6. Calcul de la résistance rotorique
Lors de l'étude du moteur asynchrone,
nous avons montré que ce dernier se présente
comme un transformateur entre une bobine
du stator et une du rotor (fig. 18).
Considérons pour l'instant que ce
transformateur est parfait et qu'il est chargé
par une résistance R que nous nous
proposons d'étudier.
Pour le rapport de transformation nous pouvons écrire :
m=
U rot
I
= st
U st
Irot
La résistance R peut être ramenée au
circuit primaire à condition de la remplacer
par
R
(fig. 19).
m2
Si le courant magnétisant est négligé, nous pouvons écrire : I st ≈
U
m2
=U
 R 
R
 m2 
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Transformateur et machines tournantes - Les machines tournantes
Pratiquement, on impose le courant du démarrage en fonction du courant nominal soit :
I st = K I N
d'où K IN =
Um 2
R
et :
R=
U m2
KI N
La résistance à brancher sera celle que nous venons de déterminer à laquelle il faut déduire celle
d'un bobinage rotorique.
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Démarrage des moteurs asynchrones triphasés 0.52-05
DEMARREURS ELECTRONIQUES POUR MOTEURS ASYNCHRONES
Tous les procédés de démarrage pour moteurs asynchrones ont pour but de réduire le courant de
démarrage du moteur. Les différents procédés utilisant des contacteurs (étoile-triangle, résistances
statoriques, auto-transfo) ont comme inconvénient des pics de courant lors des commutations de
contacteurs. Ces pics de courant entraînent des variations brutales du couple moteur, ce qui est
préjudiciable à la mécanique entraînée par le moteur.
Les démarreurs électroniques permettent d'éviter ce problème en limitant le courant de façon
continue.
Principe de fonctionnement
L'alimentation du moteur se fait par montée progressive de la tension pendant la phase de
démarrage. Cette variation de tension est obtenue par l'intermédiaire d'un gradateur composé de 6
thyristors montés tête-bêche sur chaque phase du réseau.
Il permet, en fonction de l'instant et de l'angle d'amorçage des thyristors, de délivrer une tension
progressive à fréquence fixe.
La variation de la tension d'alimentation est plus ou moins élaborée en fonction du type de
démarreur. Le choix du modèle de démarreur se fait en fonction des contraintes mécaniques de
l'installation entraînée par le moteur.
Exemple 1 : démarreur de type LH4 – N…… de Schneider (Télémécanique)
La puissance maximale de ces démarreurs sous une tension de 400V est de 45kW.
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Transformateur et machines tournantes - Les machines tournantes
La figure 1 montre l'évolution du couple moteur en
fonction du courant de démarrage.
Id correspond au courant de démarrage direct.
Cd est le couple de démarrage direct
Id1 est le courant de démarrage limité par le démarreur.
Cd1 est le couple de démarrage par le démarreur
(correspondant au courant Id1).
Le courant Id1 est limité à une valeur constante pendant
la phase de démarrage, ce qui évite toute variation
brutale de couple.
Le couple est de la forme : Cd = K.V2
La fréquence n'étant pas modifiée, l'impédance du
moteur reste la même.
D'où le couple peut aussi s'écrire : Cd = K.I2
Si on divise le courant de démarrage par 2, le couple
de démarrage est divisé par 4.
C'est pour cela qu'un réglage du couple de démarrage
est disponible sur le variateur, afin de pouvoir l'adapter
à la machine entraînée. Ce réglage fait varier la tension
de départ lors du démarrage.
La figure 2 montre la caractéristique couple/vitesse
d'un moteur en fonction de la tension d'alimentation
Deux autres réglages permettent de régler le temps de démarrage, et le temps de décélération du
moteur.
Exemple 2 : démarreur- ralentisseur progressif Altistart 46 de Schneider (Télémécanique)
1 : option visualisation réglage
2 : visualisation par LED
3 : bornier débrochable
Ces démarreurs peuvent commander des puissances
entre 2,2 kW et 800 kW.
Il permet le démarrage et l'arrêt contrôlé des moteurs asynchrones triphasés à cage.
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Démarrage des moteurs asynchrones triphasés 0.52-05
Il assure :
-
la maîtrise des caractéristiques de fonctionnement pendant les périodes de démarrage et
d'arrêt,
-
la protection thermique du moteur et du démarreur,
-
la protection mécanique de la machine entraînée par suppression des à-coups de couple,
-
le contrôle du couple accélérateur dans toute la zone 1 pour une réelle maîtrise des phases
de démarrage,
-
l'adaptation du profil du couple moteur à l'application,
-
la diminution des pertes dans le moteur.
Courant de démarrage : réglable de 2 à 5 fois le
courant nominal.
Couple de démarrage : variable de 0,15 à 1 fois le
couple nominal.
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Transformateur et machines tournantes - Les machines tournantes
7. Exercice d'application résolu
Un moteur de 10 kW, 380 V-660 V, a un rendement de 0,87 et un facteur de puissance de 0,8.
Pour une alimentation du stator en triangle sous 380 V, la tension mesurée entre deux bagues
est de 255 V et la résistance mesurée entre ces deux dernières est de 0,4 Ω. Calculez la
résistance rotorique R à connecter si le courant de démarrage doit être égal à deux fois le
courant nominal.
Solution
1- Le courant nominal
Nous avons P = η U I 3 cos ϕ
d'où :
P
10000
=
= 21,82A
3η cosϕU
3.0, 87. 0,8. 380
I N = 21, 82A
IN =
2- La tension aux bornes d'une bobine stator
Le stator sous 380 V étant connecté en triangle, la tension aux bornes de chacune de
U sta = 380V
ses bobines est de 380 V.
3- La tension aux bornes d'une bobine du rotor
Le rotor étant en étoile, la tension aux bornes de chacune de ses bobines est :
U rot =
255
= 147V
3
U rot = 147V
4- Le rapport de transformation
m=
U rot 147
=
= 0,386
U st 380
5- Le courant de démarrage
I d = 2.I N = 2. 21, 82 = 43, 64A
I d = 43, 64A
K=
d'où
Id
=2
IN
K=2
La résistance rotorique pour une phase étant donnée par la relation :
R=
U m2
, nous pouvons écrire :
KI N
2
380 (0, 386 )
R=
= 1,3Ω
2. 21, 82
Le rotor étant bobiné en étoile, la résistance mesurée entre deux bagues, 0,4 Ω, représente
la résistance de deux bobinages. La résistance d'un bobinage est donc de 0,2 Ω.
La résistance R à connecter pour chaque bague est donc :
R = 1, 3 − 0, 2 = 1,1Ω
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R = 1,1Ω
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8. Exercice à développer
Exercice A
On lit sur la plaque signalétique d'un moteur asynchrone triphasé.
Un
= 220/380 V
In
= 8,8/.......
Pn
= 2,5 kW
∆ Y
(en pointillé partie non lisible)
cos ϕ = 0,85
1420 tr/mn 50 Hz
On alimente ce moteur en 380 V triphasé 50 Hz.
1- Quel est le couplage à réaliser.
2- Déterminez la valeur de l'intensité non lisible sur la plaque.
3- Quel est le rendement du moteur
4- Le moteur est alimenté par un transformateur d'isolement, donnez la
que doit tenir ce transformateur.
puissance en VA
5- Quelle est la puissance réactive absorbée par le moteur.
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Démarrage des moteurs asynchrones triphasés 0.52-05
9. Synthèse
Faites un résumé de ce document.
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Transformateur et machines tournantes - Les machines tournantes
10. Résultats des exercices à développer
Exercice A
1var
20
,
2-
I = 5,1 A
,
3-
η = 0,877
,
4-
S = 3357 VA
, 5-
Q = 1766
Démarrage des moteurs asynchrones triphasés 0.52-05
11. Auto-évaluation
0.52-05
Exercice 1
Les deux tableaux suivants, permettent de comparer les différents modes de démarrage, indiquer le
n° de la bonne réponse.
Id / In
démarrage
faible
moyen
important
direct
1
2
3
1.
n° = ....................
choix
étoile/triangle
1
2
3
2.
n° = ....................
choix
autotransformateur
1
2
3
3.
n° = ....................
choix
résistance
rotorique
1
2
3
4.
n° = ....................
choix
Exercice 2
Cd / Cn
démarrage
faible
moyen
important
direct
1
2
3
5.
n° = ....................
choix
étoile/triangle
1
2
3
6.
n° = ....................
choix
autotransformateur
1
2
3
7.
n° = ....................
choix
résistance
rotorique
1
2
3
8.
n° = ....................
choix
21