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.......................................................................... Cahier technique n° 207 Les moteurs électriques … pour mieux les piloter et les protéger E. Gaucheron Collection T echnique Building a New Electric World * Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titres édités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues et notices techniques. Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permet- tent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les installations, les systèmes et les équipements. Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des automatismes industriels. Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partir du site Schneider Electric. Code : http://www.schneider-electric.com Rubrique : Presse Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactez votre agent Schneider Electric. La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique » de Schneider Electric. Avertissement L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte des informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne saurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenus dans cet ouvrage. La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée avec la mention obligatoire : « Extrait du Cahier Technique Schneider Electric n° (à préciser) ». Voir la rubrique Technicien supérieur en électrotechnique, de formation. Après un court passage chez Thomson il rejoint l’activité VVD (Variation de Vitesse et Démarreur) de Télémécanique en 1970 ; puis étant au service après vente Télémécanique il complète sa formation aux Arts et Métiers de Paris. Spécialiste de la commande des moteurs, il participe à l’évolution de la variation de vitesse vers la commande des moteurs alternatifs. Son expérience s’enrichit dans les différents postes qu’il occupe : plate- formiste système puis chef de produits variateurs pour machine-outil, chef de produit variateur pour moteur asynchrone (produits Altivar) et responsable de l’équipe marketing projet de VVD. Actuellement, il est le spécialiste « applications » autour de la commande moteur au sein de l’équipe anticipation pour l’activité PCP (Protection et Commande de Puissance) de Schneider Electric. n° 207 Les moteurs électriques … pour mieux les piloter et les protéger CT 207 édition juin 2004 Etienne Gaucheron Cahier Technique Schneider Electric n° 207 / p.2 Cahier Technique Schneider Electric n° 207 / p.3 Les moteurs électriques … pour mieux les piloter et les protéger Sommaire 1 Les moteurs asynchrones triphasés 1.1 Principe de fonctionnement p. 4 1.2 Constitution p. 6 1.3 Les différents types de rotor p. 6 2 Les autres types de moteurs électriques 2.1 Les moteurs asynchrones monophasés p. 10 2.2 Les moteurs synchrones p. 10 2.3 Moteurs à courant continu p. 14 3 Exploitation des moteurs asynchrones 3.1 Moteurs à cage p. 17 3.2 Moteurs à bagues p. 19 3.3 Autres systèmes de variation de vitesse p. 20 4 Conclusion p. 22 Les moteurs électriques sont de nos jours, à l’exception des dispositifs d’éclairage, les récepteurs les plus nombreux dans les industries et les installations tertiaires. Leur fonction, de convertir l’énergie électrique en énergie mécanique, leur donne une importance économique toute particulière qui fait qu’aucun concepteur d’installation ou de machine, aucun installateur et aucun exploitant ne peut les ignorer. Parmi tous les types de moteurs existants, les moteurs asynchrones triphasés notamment les moteurs à cage sont les plus utilisés dans l’industrie et au-delà d’une certaine puissance dans les applications du bâtiment tertiaire. De plus, bien que leur commande par des équipements à contacteurs soit parfaitement adaptée pour un grand nombre d'applications, l'emploi de matériels électroniques en constante progression élargit leur champ d’application. C’est le cas pour contrôler le démarrage et l'arrêt avec les démarreurs-ralentisseurs progressifs, comme lorsqu'un réglage précis de la vitesse est également nécessaire avec les variateurs-régulateurs de vitesse. Toutefois, les moteurs asynchrones à bagues sont utilisés pour certaines applications de forte puissance dans l’industrie et les moteurs asynchrones monophasés restent adaptés pour des applications de puissances limitées plutôt pour les applications du bâtiment. L’utilisation des moteurs synchrones dits sans balais ou à aimants permanents associés à des convertisseurs se généralise dans les applications nécessitant de fortes performances, notamment en couple dynamique (au démarrage ou aux changements de régime), et en précision et plage de vitesse. Ce Cahier Technique, après une présentation des divers types de moteurs électriques et de leur principe de fonctionnement, détaille plus particulièrement la technique et les particularités d'emploi des moteurs asynchrones, notamment les principaux dispositifs de démarrage, le réglage de vitesse et le freinage qui leur sont associés. Il est une base de connaissance minimale pour bien comprendre toute la problématique que représente le pilotage et la protection des moteurs. Ce Cahier Technique aborde brièvement la variation de vitesse des moteurs électriques. Ce sujet est traité spécifiquement dans le Cahier Technique CT 208 « Démarreurs et variateurs de vitesse électroniques ». La protection des moteurs fait l’objet d’un Cahier Technique en cours de rédaction. Cahier Technique Schneider Electric n° 207 / p.4 1 Les moteurs asynchrones triphasés Ce chapitre est consacré à la présentation des moteurs asynchrones triphasés, moteurs les plus utilisés pour l'entraînement des machines. Ces moteurs s’imposent en effet dans un grand nombre d'applications en raison des avantages qu'ils présentent : normalisés, ils sont robustes, simples d’entretien, faciles à mettre en œuvre et de faible coût. La présentation des autres types de moteurs fait l’objet du chapitre 2. La description et la comparaison des principaux dispositifs de démarrage, réglage de vitesse et freinage qui leur sont associés font l’objet du chapitre 3. 1.1 Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement d'un moteur asynchrone repose sur la création d'un courant induit dans un conducteur lorsque celui-ci coupe les lignes de force d'un champ magnétique, d'où le nom de « moteur à induction ». L’action combinée de ce courant induit et du champ magnétique crée une force motrice sur le rotor du moteur. Supposons une spire ABCD en court-circuit, située dans un champ magnétique B, et mobile autour d'un axe xy (cf. fig. 1 ). Si, par exemple, nous faisons tourner le champ magnétique dans le sens des aiguilles d'une montre, la spire est soumise à un flux variable et devient le siège d'une force électromotrice induite qui donne naissance à un courant induit i (loi de Faraday). D'après la loi de Lenz, le sens du courant est tel qu'il s'oppose par son action électromagnétique à la cause qui lui a donné naissance. Chacun des deux conducteurs est donc soumis à une force F de Laplace (de Lorentz, pour les Anglo- saxons), de sens opposé à son déplacement relatif par rapport au champ inducteur. La règle des trois doigts de la main droite (action du champ sur un courant, cf. fig. 2 ) permet de définir facilement le sens de la force F appliquée à chaque conducteur. Le pouce est placé dans le sens du champ de l'inducteur. L'index indique le sens de la force. Le majeur est placé dans le sens du courant induit. La spire est donc soumise à un couple qui provoque sa rotation dans le même sens que le champ inducteur, appelé champ tournant. La spire se met donc en rotation et le couple électromoteur produit équilibre le couple résistant. Fig. 1 : Création d’un courant induit dans une spire en court-circuit. Fig. 2 : La règle des trois doigts de la main droite pour trouver la direction de la force. Champ Chemin (force) Courant Nord i D F C y x A B i B Sud F Cahier Technique Schneider Electric n° 207 / p.5 Création du champ tournant Trois enroulements, géométriquement décalés de 120°, sont alimentés chacun par une des phases d'un réseau triphasé alternatif (cf. fig. 3 ). Les enroulements sont parcourus par des courants alternatifs présentant le même décalage électrique, et qui produisent chacun un champ magnétique alternatif sinusoïdal. Ce champ, toujours dirigé suivant le même axe, est maximal quand le courant dans l'enroulement est maximal. Le champ généré par chaque enroulement est la résultante de deux champs qui tournent en sens inverse et ayant chacun pour valeur constante la moitié de la valeur du champ maximal. A un instant t1 quelconque de la période (cf. fig. 4 ), les champs produits par chaque enroulement peuvent être représentés comme suit : v le champ H1 diminue. Les 2 champs qui le composent ont tendance à s'éloigner de l'axe OH1, v le champ H2 augmente. Les 2 champs qui le composent ont tendance à se rapprocher de l'axe OH2, Fig. 3 : Principe d’un moteur asynchrone triphasé. Fig. 4 : Champs générés par les trois phases. v le champ H3 augmente. Les 2 champs qui le composent ont tendance à se rapprocher de l'axe OH3. Le flux correspondant à la phase 3 est négatif. Le champ est donc dirigé dans le sens opposé à la bobine. En superposant les trois diagrammes, nous constatons que : v les trois champs tournant uploads/Industriel/ ct-207.pdf