Les moteurs électriques à courant alternatif

 

 

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Sommaire


  •  Un génie

     

        L'invention du courant alternatif et du moteur asynchrone sont 2 des 700 inventions du physicien serbe naturalisé américain :

    Nikola Tesla (1856-1943)

         Très en avance sur son temps Nikola Tesla a eu un peu de mal à convaincre ses contemporains. Mais comme le dit si bien B.A. Behrend, président du American Institute of Electrical Engineers : « Si nous devions saisir et éliminer de notre monde industriel les résultats des travaux de monsieur Tesla, les roues de l’industrie s’arrêteraient, les trains seraient immobilisés, nos villes seraient jetées dans la pénombre et nos usines seraient mortes […] Son nom marque une époque dans l’avancement de la science électrique. De ce travail jaillit une révolution… »

     

     

Présentation :

    C'est un moteur qui se caractérise par le fait qu'il est constitué d'un stator (inducteur) alimenté en courant alternatif et d'un rotor (induit) soit en court-circuit, soit bobiné aboutissant à des bagues dans lesquelles le courant est créé par induction. Ces moteurs ont la particularité de fonctionner grâce à un champ tournant.

     

     On distingue 2 catégories de moteur asynchrones en fonction du type de rotor :

    - les moteurs asynchrones à rotor en court-circuit, de faible puissance.

    - les moteurs asynchrones à rotor bobiné à bagues dans lesquelles l'enroulement du rotor aboutit à des bagues par l'intermédiaire desquelles on peut insérer des résistances. Ils sont de grande puissance.

        Les moteurs asynchrones peuvent démarrer par leurs propres moyens s'ils sont polyphasés. Le couple de démarrage des moteurs asynchrones est faible.

    C'est un moteur dont la vitesse est proportionnelle à la fréquence du courant :

     

    n = f / p

     

    n = fréquence de rotation

    f = fréquence du courant

    p = nombre de paire de pôles

    Précautions de câblage :

        Pour le pilotage de ces moteurs, il est impératif de séparer la tension de commande de la tension de puissance. La tension de commande doit être en très basse tension 24 Volts puisqu'un opérateur humain sera amené à intervenir et la tension de puissance sera en basse tension 380 V. Il sera donc nécessaire de différencier physiquement sur un circuit, ces deux tensions.

    Schématisation :

     

Alimentation d'un moteur asynchrone :

 

 

Diagramme de Fresnel

Courbes de tensions triphasées

Vérification de la tension entre deux phases :

 

  • Schémas de base - démarrage des moteurs à cage

Démarrage direct d'un moteur triphasé par disjoncteur-moteur

 

Commande locale (uniquement)

L'appareil assure la commande manuelle locale, protège contre les courts-circuits et les surcharges.

 

Protections assurées

Par un déclencheur magnéto-thermique tripolaire, incorporé à l'appareil, contre les courts-circuits (éléments magnétiques), contre les surcharges faibles et prolongées (éléments thermiques).

En option, un additif limiteur branché en série avec les pôles du disjoncteur-moteur permet d'augmenter le pouvoir de coupure de l'appareil.

 

Démarrage direct d'un moteur monophasé par discontacteur avec interrupteur

Commande locale

L'association d'un interrupteur, d'un contacteur et d'un relais de protection thermique dans un coffret, autorise la coupure en charge et protège contre les surcharges.

Conformément aux normes d'installations en vigueur, chaque départ doit être protégé contre les courts-circuits par des fusibles ou un disjoncteur placés en amont.

Protections assurées

Par un relais tripolaire de protection thermique contre les surcharges faibles et prolongées.

Verrouillage de l'ouverture du coffret si l'interrupteur n'est pas ouvert.

Fonctionnement du circuit de puissance

Fermeture manuelle de l'interrupteur Q1

Fermeture de KM1.

Q1 : calibre In moteur.

KM1 : calibre In moteur en fonction de la catégorie d'emploi.

F1 : calibre In moteur.

Fonctionnement du circuit de commande

Impulsion sur marche.

Fermeture de KM1.

Auto-alimentation de KMI.

Arrêt : impulsion sur 0, ou par déclenchement du relais de protection thermique FI.

 

  • Schémas de base - dispositifs de protection

Protection électromagnétique

 

Par relais à maximum de courant

Protection des installations soumises à des pointes de courant fréquentes et importantes.

Raccordement du circuit de puissance

Insérer dans chaque phase ou fil d'alimentation, un relais électromagnétique.

Fonctionnement du circuit de commande (schéma):

Commande 2 fils (sans auto-alimentation).

KM1 fermé.

Pointe de courant importante.

Déclenchement de F2, F3 ou F4.

Ouverture de KM1 par F2, F3 ou F4.

Rétablissement instantané du contact du ou des relais déclenchés.

Fermeture de KM1 après impulsion sur le bouton-poussoir marche.

 

  •  Disjoncteurs

Définition

Le sectionneur est un appareil mécanique de connexion capable d'ouvrir et de fermer un circuit lorsque le courant est nul ou pratiquement nul afin d'isoler la partie de l'installation en aval du sectionneur.

- Le sectionneur n'a pas de pouvoir de coupure ou de fermeture.

- La coupure doit être visible soit directement par observation de la séparation des contacts, soit par un indicateur de position si les contacts ne sont pas visibles.

- Le sectionneur peut-être verrouillable par un cadenas en position ouvert. C'est une sécurité sur un circuit des personnes qui travaillent en aval du sectionneur

 

Dénomination d'un sectionneur

Symboles

- Nombre de pôles.

- Valeur de la tension.

- Courant nominal.

- Contacts auxiliaires.

- Nature de la commande.

- Système de fixation.

 

 

Rôle des différents organes

- Les contacts principaux permettent d'assurer le sectionnement de l'installation, c'est une fonction de sécurité obligatoire.

- 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 sectionneur.

- La poignée de commande peut être verrouillée en position ouverte par un cadenas (sécurité opérateur pour la maintenance).

Le sectionneur avec fusibles et contacts auxiliaires offre la possibilité, en enlevant les cartouches fusibles et par fermeture du sectionneur, d'alimenter uniquement le circuit de commande et ainsi de pouvoir tester un équipement automatique sans risque au niveau des organes de puissance. En effet, les organes de puissance n'étant pas alimentés, il est possible de simuler un cycle de fonctionnement d'un système automatique.

 

- Q est un contact qui est lié directement au sectionneur porte-fusible. Si celui-ci est ouvert il n'y aura pas d'alimentation du circuit de commande.

- Arrêt est un contact qui permet l'arrêt du moteur.

- F est un contact à ouverture qui se déclenche si le moteur subit une trop forte intensité.

- bp1 et bp2 sont les boutons poussoir à fermeture qui vont permettre le pilotage du moteur dans un sens ou dans l'autre.

- km1 et km2 sont des contacts à fermeture liés aux deux contacteurs. On utilise aussi des contacts à ouverture qui empêcheront la possibilité d'avoir une commande de rotation du moteur dans les deux sens. L' inversion du sens de rotation est obtenu en croisant deux des conducteurs de phase d'alimentation, le troisième restant inchangé. On inverse ainsi le sens du champ tournant et par conséquent, le sens de rotation du moteur. Pour plus de sécurité une liaison mécanique lie les deux contacteurs empêchant ainsi tout risque de manoeuvre malencontreuse.

Inversion du sens de marche :

    L'inversion du sens de marche est obtenu en croisant deux des conducteur de phase d'alimentation, le troisième restant inchangé. On inverse ainsi le sens du champ tournant , et, par conséquent, le sens de rotation. Un verrouillage mécanique est nécessaire pour éviter le court circuit entre les deux phases dans le cas où les contacteurs KM1 et KM2 seraient fermés ensemble. Un verrouillage électrique par les contact KM1 et KM2 permet de compléter le verrouillage mécanique dans le cas où ce dernier serait défaillant.

Conclusion :

Avantages :

simplicité de l'appareillage.

couple important.

temps de démarrage minimal pour un moteur à cage.

Inconvénients :

Appel de courant très important Intensité de Démarrage = 4 à 8 Intensité Nominale.

Démarrage brutal.

Emplois :

Moteur de petite puissance.

Machine ne nécessitant pas une mise en vitesse progressive.

Machine nécessitant un bon couple de démarrage.

Définition :

    Un fusible est un appareil de connexion dont la fonction est d'ouvrir par fusion d'un ou de plusieurs de ses éléments conçus et calibrés à cet effet le circuit dans lequel il est inséré et d'interrompre le courant lorsque celui-ci dépasse, pendant un temps suffisant, une valeur précisée.

    Symboles :

    Structure

     

 

Différentes classes de fusibles : Selon l'utilisation on choisira entre 3 classes d'éléments de remplacement.

    Classe gI : fusible d'usage général. Ils protègent contre les surcharges et les courts-circuits. Ce sont les fusibles d'usage général (g).

    Classe gII : fusible d'usage général temporisé dont le temps de fusion est retardé.

    Classe aM : Accompagnement moteur : ces fusibles sont prévus uniquement pour la protection contre les court-circuits. Ils sont surtout prévus pour la protection des moteur à courant alternatif. La protection contre les surcharges doit être assurée par un autre dispositif tel que relais thermique par exemple. Ces fusibles sont de couleur verte

Caractéristiques des fusibles :

Tension nominale : 250, 400, 500, 660V.

 

Courant nominal (In) : c'est le calibre du fusible ou de la cartouche de remplacement .

 

Courant de non fusion (Inf) : c'est la valeur du courant qui peut être supporté par l'élément fusible pendant un temps conventionnel sans fondre.

 

Courant de fusion (If) : c'est la valeur du courant qui provoque la fusion du fusible avant la fin du temps conventionnel.

 

Durée de coupure : c'est le temps qui s'écoule entre le moment où commence à circuler un courant suffisant pour provoquer la fusion et la fin de fusion.

 

Courbe de fonctionnement d'un fusible : on exprime le temps de fusion en fonction de l'intensité, ce qui se traduit par deux courbes

L'intérêt du contacteur est de pouvoir être commandé à distance au moyen de contacts, peu encombrants et sensibles, actionnés manuellement ou automatiquement.

 

Définition :

    Le contacteur est un appareil mécanique de connexion ayant une seule position repos, commandé autrement qu'à la main, capable d'établir, de supporter et d'interrompre des courants dans les conditions normales du circuit, y compris les conditions de surcharge en service.

    Un contacteur dont les contacts principaux sont fermés dans la position de repos est appelé rupteur.

 

Constitution générale :

 

Contacteur à translation :

Différents organes :

Les pôles ou contacts principaux (contacts fixes et mobiles)

Les pôles sont les éléments de contacts qui permettent d'établir et d'interrompre le courant principal.

Le pôle est défini par les valeurs nominales de courant et de tension qui définissent en partie le contacteur. On utilise des contacteur à soufflage magnétique pour les circuit ayant des intensités de 200 à 3000 A. Le soufflage de l'arc électrique a pour but d'éviter l'usure prématurée des contacts par électro-érosion.

organe de manœuvre : électro-aimant

Le circuit magnétique de ce type d'électro-aimant est feuilleté de manière à réduire les pertes par courant de Foucault dus à la présence d'un flux alternatif.

Lorsque l'électro-aimant est ouvert, la réluctance du circuit magnétique est élevée ce qui revient à dire que la réactance de sa bobine est faible. Il en résulte, dans ces conditions, un appel de courant très supérieur au courant permanent que consomme la bobine à circuit magnétique fermé.

L'intensité, à circuit magnétique ouvert, peut atteindre 6 à 10 fois celle du circuit fermé pendant une fraction de seconde. L'électro-aimant peut être alimenté en courant continu ce qui permet d'avoir une plus grande force d'attraction.

 

Principe de fonctionnement :

Le relais thermique utilise la propriété d'un bilame formé de deux lames minces de métaux ayant des coefficients de dilatation différents. Il s'incurve lorsque sa température augmente. Pour ce bilame on utilise un alliage ferro-nickel.

Chaque relais comprend trois bilames constitués chacun de deux métaux dont le coefficient de dilatation est différent. Un enroulement chauffant est raccordé en série sur chacune des phases avec une section adaptée à l’intensité à surveiller. Lors d’un incident, le courant absorbé par le récepteur augmente, les bilames se déforment et actionnent un mécanisme pour manœuvrer les contacts. Le contact inséré dans le circuit de commande du contacteur provoque la mise hors tension du récepteur. Ils sont munis d’un système de réarment qui peut s’effectuer lorsque les bilames sont suffisamment refroidis. Certains relais thermique possèdent un réarment automatique qui permet la remise en service du récepteur lorsque les bilames sont froids, système déconseillé par sécurité pour les utilisateurs, redémarrage automatique et pour les récepteurs risque de dégradation.

Position à froid

Position en fonctionnement

Déclanchement

     Le relais thermique, permet de protéger un récepteur contre les surcharges faibles et prolongées. Il permet de protéger efficacement contre les incidents d'origines mécanique, chute de tension, déséquilibre des phases, manque d'une phase. Le relais thermique est utilisable en courant continu et alternatif, les relais thermiques sont généralement tripolaires.

     Les relais thermiques sont utilisables en courant triphasé, courant continu, courant monophasé et diphasé. Ils sont insensibles à la variation de la température ambiante, les bilames sont compensées. Les bilames de compensation sont soumis à la température de l’air ambiant ils se déforment de façon opposés aux bilames principaux. Ils sont capables de déceler un manque de phase, un déséquilibre sur les phases. Le système différentiel permet de contrôler si le courant qui traverse les bilames est identique sur les trois circuits (manque de phases, fusion d’un fusible, déséquilibre). Les relais thermiques doivent être associés à un contacteur et à des fusibles. La plage de réglage est affichée en ampères-moteur, le réglage doit correspondre et cela sans compensation à l’intensité plaquée sur le moteur.

 

Relais thermique :

 

 

 

Courbe de déclenchement :

 

     C'est la courbe représentant le temps de déclenchement en fonction des multiples de l'intensité de réglage. L'intensité minimale de déclenchement est égale, en général, à 1.15 fois l'intensité de réglage

 

Choix d'un relais thermique :

    Lorsqu'un contacteur est muni d'un relais thermique, l'ensemble constitue un discontacteur. Le contacteur n'est pas apte à couper des courant de court-circuit, il doit être associé à des fusible du type aM qui interviennent au-delà du pouvoir de coupure du contacteur. On peut tracer sur un même graphique le courbe de déclenchement temps/intensité du relais thermique et de la courbe de fusion du fusible. A l'intersection des des courbes on a le pouvoir de coupure limite du contacteur.