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12/09/2014
1
Université d’été sur Efficacité Energétique dans l’Industrie
Pour étudiants et jeunes chercheurs
Université Sultan Moulay Slimane – Beni Mellal
8 – 12 Septembre 2014 –
Moteurs électriques
Mohammed TAJAYOUTI
Enseignant chercheur à l’EST de Salé
1
Plan
 Un mot sur l’efficacité énergétique dans l’industrie
 Rappels sur l’électromagnétisme
 Moteurs à courant continu
 Moteurs synchrones
 Moteurs asynchrones
 Rendement du moteur asynchrone
2
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2
Un mot sur l’efficacité énergétique dans
l’industrie
3
Un mot sur l’efficacité énergétique dans l’industrie
 Les enjeux
L’énergie dans l’industrie c’est surtout :
Le gaz et le fuel
L’électricité (la force motrice représente environ 70%)
4
12/09/2014
3
Un mot sur l’efficacité énergétique dans l’industrie
 Un but: « Consommer l’énergie juste nécessaire »
ou encore : consomme moins, qui consomme mieux et qui est plus
confortable.
 Une démarche concernant la force motrice électrique
- Mesurer
- Optimiser
Moteurs électriques à haut rendement
Commande des moteurs par variateurs de vitesse
Compensation de l’énergie réactive
la maintenance des moteurs électriques
5
Rappels sur l’électromagnétisme
6
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4
Rappels sur l’électromagnétisme
 Champ magnétique à l’état naturel
Le champ magnétique terrestre est de
l'ordre de 10-4 T.
Le champ d'un aimant ordinaire est de
quelques centièmes de Tesla.
7
Rappels sur l’électromagnétisme
 La loi de Biot et Savart
Si un courant constant traverse un conducteur électrique de longueur
élémentaire dl, il crée localement une induction magnétique dB :
= ^
dl : longueur du circuit soumis au
courant I
r : distance
µo :perméabilité magnétique
du vide (µo = 4π.10-7 U.S.I.)
8
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5
Rappels sur l’électromagnétisme
 Force de Laplace
= I ^
Pour augmenter la force de Laplace on augmente donc I ou B, tout en
sachant que si l’on augmente I on augmente les pertes Joules et donc
l’échauffement des conducteurs.
9
Rappels sur l’électromagnétisme
 Le flux magnétique
Le flux magnétique φ à travers une surface S quelconque vérifie la
relation :
φ = ∯ . dS
où n est la normale à la surface
élémentaire dS, c’est à dire un
vecteur unitaire perpendiculaire à dS.
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6
Rappels sur l’électromagnétisme
 Règle du flux maximum
Tout conducteur délimitant une surface, parcouru par un courant et
placé dans un champ magnétique tend à s’orienter de façon à ce que le
flux au travers de la surface soit maximum.
Cette règle permet d’expliquer la rotation des moteurs électriques
comme le moteur à courant continu.
11
Rappels sur l’électromagnétisme
 Le champ d’excitation H
Le champ d’excitation H rend compte de l’influence du milieu
magnétique sur les autres grandeurs. Il s’exprime en Ampères par
mètre
Dans le vide :
= 0
Dans un matériaux ferromagnétiques :
= 0 r
La base de la réalisation des machines électriques industrielles est
d’utiliser des matériaux dits ferromagnétiques dont la perméabilité µ
est supérieur au µ0 du vide et donc d’augmenter la valeur de B de
façon la plus optimale. (µr (fer) ≈ 10 000)
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7
Rappels sur l’électromagnétisme
 Théorème d’Ampère
.
∮ =∑ ∓
La circulation du vecteur H le long d’une courbe fermée (C) quelconque
est égale à la somme algébrique des courants traversant la surface
s’appuyant sur le contour (C) 13
Rappels sur l’électromagnétisme
 Pertes dans les circuits magnétiques
Pertes par hystérésis
Ph=kh f Bm²
f : fréquence
Pertes par courants de Foucault
Les variations du champ magnétique dans la matière génèrent par
induction des courants induits qui se rebouclent sur eux-mêmes. Il y a
donc échauffement par effet joule.
PF = kF f2 Bm2
-
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Rappels sur l’électromagnétisme
 Loi de Faraday
Toute variation de flux à travers un circuit électrique fermé donne
naissance à un courant induit, l'existence du courant coïncide avec
celle de la variation de flux, si le circuit est ouvert, il y a force
électromotrice induite,
 Loi de Lenz
Le courant induit est tel que par ses effets s'oppose à la cause qui lui a
donné naissance :
e= - dφ/dt
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Moteur à courant continu
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Moteur à courant continu
 Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement repose sur la force de Laplace.
= I ^
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Moteur à courant continu
 Les constituants
On distingue :
Une partie fixe le stator ou inducteur
et une partie tournante, le rotor ou
induit séparées par un entrefer.
Source upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/89/Electric_motor.gif
Le stator et le rotor sont constitués par un assemblage de tôles afin de
limiter les pertes par courants de Foucault et par hystérésis ;
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Moteur à courant continu
 Les constituants -suite-
Le circuit inducteur, qui est la source de champ magnétique. Il peut
être formé soit par des aimants permanent, soit par des bobines
inductrices.
Les bobines sont placées
autour de noyaux polaires.
La machine est dite bipolaire
si elle ne comporte qu’un
pôle Nord et un pôle Sud.
19
Moteur à courant continu
 Les constituants -suite-
Le circuit induit au rotor. Il est formé de conducteurs logés dans des
encoches.
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Moteur à courant continu
 Les constituants -suite-
Le collecteur qui, associé aux balais, permet de relier le circuit
électrique rotorique de l’induit à un circuit électrique extérieur à la
machine.
Le collecteur est un ensemble
de lames de cuivre isolées
latéralement les unes des autres
réunies aux conducteurs de
l’induit en certains points.
Les balais, portés par le stator, frottent sur les lames du collecteur, et
permettent d’établir une liaison électrique entre l’induit qui tourne et
l’extérieur de la machine qui est fixe.
21
Moteur à courant continu
 Les équations régissant le moteur à courant continu
Chacun des conducteurs de l’induit est alors parcouru par un courant
et, placé dans le champ magnétique inducteur, est soumis à une force
de Laplace telle que : F = B.I.l.
La force est proportionnelle à l’intensité I du
courant induit et à l’intensité B du champ
magnétique créé par l’inducteur.
Deux conducteurs sont reliés pour former
une spire. Il apparaît deux forces de même
intensité F mais de sens opposés qui forment un couple
électromagnétique d’intensité T = 2.r.F. (r : rayon du rotor)
On a donc : T = 2.r.F = 2.r.B.I.l = S.B.I = Φ.I 22
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Moteur à courant continu
 Les équations régissant le moteur à courant continu -suite-
On montre que le moment du couple électromagnétique total TEM
exercé sur l’induit vaut :
Tem = K.Φ.I
Tem en newton mètre
K : constante du moteur qui ne dépend que de sa constitution (nombre total de conducteurs
N… on montre que K = p N/2πa
avec p nombre de paires de pôles et a nombre de paires de voies d’enroulement,
Φ : flux créé par un pôle inducteur, en webers
I : intensité du courant dans chaque conducteur de l’induit.
23
Moteur à courant continu
 Les équations régissant le moteur à courant continu -suite-
La Force électromotrice induite
Le flux magnétique embrassé par chaque spire de l’induit varie
lorsqu’elle celle-ci est entraînée en rotation.
La loi de Faraday, apparaît aux bornes de cette spire. Il en est de même
pour chaque spire de l’induit : e= - dΦ/dt
On montre que la f.é.m. induite totale E qui apparaît aux bornes de
l’induit vaut :
E = K.Φ.Ω
E : la fem
Φ : flux créé par un pôle inducteur
Ω : vitesse de rotation du moteur
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Moteur à courant continu
 Les équations régissant le moteur à courant continu -suite-
L’induit
U = E + R I
L’inducteur
Alimenté aussi en continu par une
tension UE, son modèle équivalent se réduit
à la résistance RE des bobines de l’inducteur.
UE = RE IE
25
Moteur à courant continu
 Moteur CC à excitation indépendante
On a :
Ue= R Ie
et
U= E+ R I
Pour des conditions d’excitation
fixées, le flux est constant et on a donc :
Tem = k.I et E = k.Ω avec k= K.Φ
Si on néglige les pertes on peut dire que :
La vitesse est proportionnelle à la tension de l’induit
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Moteur à courant continu
 Moteur CC à excitation indépendante -Bilan de puissance-
Le rendement de la machine ƞ = Pu/Pa
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Moteur à courant continu
 Moteur CC à excitation série
Dans l’hypothèse de la non
saturation :
Φ = k I
On rappelle que :
E = K Φ Ω et Tem = K Φ I
Il vient donc :
Tem = K’ I ² et U ≈ E = K’ Ω I (on néglige els pertes)
Si le couple augmente, le courant augmente et la vitesse diminue.
28
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Moteur à courant continu
 Moteur CC à excitation série -Bilan de puissance-
Le rendement de la machine ƞ = Pu/Pa
29
Moteur à courant continu
 Avantages et inconvénients
Avantages
accompagné d'un variateur de vitesse électronique, il possède une
large plage de variation (1 à 100 % de la plage),
régulation précise du couple,
son indépendance par rapport à la fréquence du réseau fait de lui un
moteur à large champ d'application,
Inconvénients
peu robuste par rapport au machine asynchrone,
investissement important et maintenance coûteuse (entretien du
collecteur et des balais,
30
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Moteur synchrone
31
Moteur synchrone
 Constitution
Le moteur synchrone se compose d'un stator et d'un rotor séparés par
l'entrefer.
Le stator
Le stator comprend une carcasse et un circuit magnétique d’un
bobinage triphasé alimenté en courant alternatif triphasé pour
produire un champ tournant.
Le rotor
Le rotor porte des aimants ou des bobines d'excitation parcourues par
un courant continu qui créent des pôles Nord et Sud intercalés.
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Moteur synchrone
 Constitution - suite-
33
Moteur synchrone
 Constitution - suite-
Il existe donc deux types distincts de moteurs synchrones : les moteurs
à aimants et les moteurs à rotor bobiné.
Pour les premiers, le rotor du moteur est équipé d'aimants
permanents.
Les autres machines synchrones sont à rotor bobiné, elles sont
réversibles et peuvent fonctionner en générateurs (alternateurs) ou en
moteurs.
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Moteur synchrone
 Le système triphasé
U12 = √ Ueff cos (ωt+ϕ)
U23 = √ Ueff cos (ωt+ϕ - 2π/3)
U31 = √ Ueff cos (ωt+ϕ + 2π/3)
.
35
Moteur synchrone
 Le champ tournant (théorème de Ferraris)
Un champ tournant peut être créé par trois bobines positionnées sur
le stator avec un décalage de 120°, chacune alimentées par une phase
d'un courant électrique triphasé.
La fréquence de rotation est alors
égale à la fréquence de courants
d'alimentation.
Il démontre également que 3p bobines alimentées en triphasé
et décalées de 120°/p permettent
d'obtenir un champ tournant avec une fréquence de rotation f/p.
36
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Moteur synchrone
 Le modèle électrique du moteur synchrone
Ωs : vitesse du synchronisme
Ωs = ω/p ou bien ns =60 f/p (tr/min)
V = E + R J + j Lω J
E = dΦ/dt = jω Φ
Cm = Pa/ Ωs = 3 V J cosϕ / Ωs
- L'inducteur (stator) d'une MS triphasée comprend trois enroulements :
- Hypothèses : la machine n'est pas saturée ; les champs magnétiques sont sinusoïdaux.
- Au stator s'appliquent les grandeurs d'enroulement : V (tension entre phase et neutre) et J .
La caractéristique statique mécanique d'un MS se réduit à un segment
de droite, pour Ω = Ωs = cte
Si la fréquence du réseau est fixe, un moteur synchrone ne peut
démarrer seul.
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Moteur synchrone
 Le rendement du moteur synchrone
Le rendement de la machine ƞ = Pm/ [Pe + Petes dans l’inducteur]
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Moteur synchrone
 Les avantages et els inconvénients du moteur synchrone
Les avantages
il peut travailler avec un facteur de puissance proche de 1 (cos ~ 1). Il
contribue donc à redresser le cos global de l'installation électrique.
la vitesse du moteur est constante quelle que soit la charge
Il peut supporter des chutes de tension important sans décrocher.
Un rendement très intéressant
Les inconvénients
S'il n'est pas associé à un variateur de vitesse, il a des difficultés à
démarrer.
Il peut décrocher en cas de forte charge.
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Moteur asynchrone
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Moteur asynchrone (MAS)
 La constitution
le stator : c’est la partie magnétique fixe du MAS. Elle comporte des
enroulements qui, alimentés en énergie électrique, vont produire un
champ magnétique tournant.
le rotor : partie libre en rotation comportant des conducteurs qui
seront soumis au champ tournant. Ces
conducteurs peuvent être soit des bobines (technologie en voie de
disparition) soit des barres de cuivres ; on parle alors de rotor en
court-circuit (ou à cage à d’écureuil).
la plaque à bornes : fixée sur la carcasse, elle comporte un ensemble
de 6 bornes permettant de connecter les bobines statoriques à
l’alimentation électrique en effectuant le couplage
41
Moteur asynchrone (MAS)
 La constitution
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Moteur asynchrone
 La constitution -moteur à cage-
43
Moteur asynchrone
 La constitution -moteur à bagues
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Moteur asynchrone
 Principe de fonctionnement
Le stator produit un champ tournant (le même principe du staor du moteur
synchrone)
Le rotor se trouvant au centre de ce champ. Tant que le rotor a une
fréquence de rotation différente que celle du champ inducteur, chaque point
de rotor « voit » une variation de champ.
Les conducteurs rotoriques produisent donc une f.é.m. qui, dans le circuit
fermé, va donner naissance à des courants induits.
Cela se traduit concrètement par un phénomène de poursuite du rotor vis à
vis du champ tournant sans qu’il n’arrive jamais à le rattraper.
Le rotor ne peut jamais tourner à la même vitesse que le stator.
45
Moteur asynchrone
 Création du champ tournant
C’est le même principe que pour le moteur synchrone : Trois
enroulements, géométriquement décalés de 120°, sont alimentés
chacun par une des phases d'un réseau triphasé alternatif produisent
un champ magnétique tournant
46
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Moteur asynchrone
 Quelques Définition
Vitesse de synchronisme
La vitesse de synchronisme des moteurs asynchrones triphasés est
proportionnelle à la fréquence du courant d’alimentation et
inversement proportionnelle au nombre de paires de pôles constituant
le stator.
Ns = 60 f/p
Ns : vitesse de synchronisme en tr/min (Ωs : rd/s)
f : fréquence en Hz,
p : nombre de paires de pôles.
Vitesse de rotation du moteur
N (tr/mn) (Ωs : rd/s)
47
Moteur asynchrone
 Quelques Définition -suite-
Le glissement du moteur g
Il traduit la différence entre la vitesse du synchronisme et celle de la
rotation du moteur :
g= (Ns-N)/Ns
Exemple : pour une machine ayant deux paires de pôles et alimentée
par un réseau électrique de fréquence 50 Hz ; on a :
Ns= 60 x 50 / 2= 1500 tr/mn
Si le glissement est de 3% alors N = 0,97*1500
= 1455 tr/mn 48
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Moteur asynchrone
 L’intérêt du moteur asynchrone
Le moteur asynchrone est de beaucoup le moteur le plus utilisé dans
l’ensemble des applications industrielles, du fait de :
- sa facilité de mise en œuvre,
- de son faible encombrement,
- de son bon rendement
- de son excellente fiabilité.
Son inconvénient majeur est l’énergie réactive, toujours consommée
pour magnétiser l’entrefer. Les machines triphasées, alimentées
directement sur le réseau, représentent la grande majorité des
applications ; supplantant les autres types de moteurs aux
performances globales bien moindres.
49
Moteur asynchrone
 L’intérêt du moteur asynchrone – suite-
L'avantage principal des machines à courant continu résidait dans leur
possibilité de faire varier leur vitesse par simple action sur la tension
et sans grande perte de rendement.
Cependant, aujourd'hui, l’évolution des variateurs de fréquence on
retrouve désormais la machine asynchrone dans une gamme de
puissance très étendue et dans de très nombreux domaines
d'applications où elle a longtemps été concurrencée par les moteurs
synchrones.
50
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Moteur asynchrone
 Tableau comparatif
51
Type de moteur Asynchrone à cage Asynchrone à bague Synchrone A courant continu
Coût du moteur Faible Elevé Elevé Elevé
Démarrage direct
sur le réseau
Aisé Dispositif particulier Très difficile Non prévu
Variation de
vitesse
Facile possible Fréquent toujours
Coût de la
solution
de plus en plus
économique
Economique économique très économique
Performance en
variation de
vitesse
de plus en plus
élevée
Moyenne Elevée Elevée à très
élevée
Utilisation
industrielle
Universelle en diminution dans les grande
puissances
en diminution
Moteur asynchrone
 Le modèle du moteur asynchrone
Le moteur asynchrone est un transformateur avec un secondaire en court-circuit et
tournant.
De ce fait la fréquence des courants rotoriques vaut : fr= g f (ω=2 π f)
Schéma équivalent d’une phase du moteur ramenée au stator
Ls : Inductance de fuite au stator
Rs : Résistance du stator
Lf, Rf : L'impédance magnétisante
LR : Inductance de fuite au rotor
RR : Résistance du rotor
(ces deux grandeurs sont ramenées
Au Stator)
m0 : rapport de transformation
V1 : tension primaire ; I1 : courant primaire 52
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Moteur asynchrone
 Les puissances mise en jeu dans le rotor du moteur asynchrone
Puissance transmise au rotor Ptr :
Ptr= 3 RR/gmo² IR²
Pertes par effet Joule au rotor PJR :
PJR= 3 RR/mo² IR²
PJR= g Pe
Puissance mécanique Pm :
Pm= Ptr - PJR= (1-g) Ptr
53
Moteur asynchrone
 L’expression du couple électromagnétique : Ce
Pm= (1-g) Ptr = Ce Ωs
=3
²
 (  )²
 L’expression du courant
Le courant peut être approché par l’expression suivante :
I =
²
( )²
On rappelle que g = (Ns-N)/Ns = (Ωs - Ω)/ Ωs
54
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28
Le rendement du moteur asynchrone
55
Le rendement du moteur asynchrone
 L’expression du rendement des moteurs asynchrones
Pa = 3 U I cos Pjs=3 Rs Is²
Pf=3 V² / Rf
Ptr= 3 (RR/mo²)/g IR² Pjr= = 3 (RR/mo²) IR²
Pm = (1-g) Ptr
Pmc= Pm-Prm
= = =1 -
56
Impossible d’afficher l’image.
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Le rendement du moteur asynchrone
 L’expression du rendement des moteurs asynchrones
= = =1 - =
57
Le rendement du moteur asynchrone
 L’expression du rendement des moteurs asynchrones
Dans tout moteur électrique une partie de la puissance électrique absorbée est
dissipée sous forme de chaleur.
Les pertes d'énergie au niveau des moteurs asynchrones sont constituées par :
- des pertes par effet Joule dans les bobinages parcourus par le courant au
stator
- des pertes dans le circuit fer
- des pertes par effet Joule dans l'induit au niveau du rotor,
- des pertes mécaniques par frottement au niveau du rotor.
58
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Le rendement du moteur asynchrone
 Comparaison entre les rendements des moteurs électriques
Les moteurs monophasés n'ont pas un bon rendement.
Par contre, qu'ils soient asynchrones ou synchrones, celui des les
moteurs triphasés est bon.
Le rendement des moteurs à courant continu qui peut atteindre 80 % est
moins bon que celui des moteurs à courant alternatif.
59
Le rendement du moteur asynchrone
 L’influence de la puissance et de la charge
 s un moteur est puissant plus son rendement sera élevé.
Le rendement diminue aussi avec le taux de charge du moteur.
60
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31
Le rendement du moteur asynchrone
 La consommation énergétique d’un moteur électrique -exemple-
61
Puissance (HP) 10
charge % 75
rendement 88,4
Coût d'acquisition du moteur (MAD) 5 800,00
Coût du kWh (MAD) 0,80
heures/an de fonctonnement 6000
Coût sur 1 an 1
Consommation en kWh 37 975
Emission en CO2eq (Kg) [580g/kWh mix] 22 026
Coùt du moteur 5 800,00 16%
Coût de l'énergie 30 380,09 82%
Coût de l'entretient (800 Mad/an) 800,00 2%
Coût sur 5 ans 5
Consommation en kWh 189 876
Emission en CO2eq (Kg) [580g/kWh mix] 110 128
Coùt du moteur 5 800,00 4%
Coût de l'énergie 151 900,45 94%
Coût de l'entretient (800 Mad/an) 4 000,00 2%
Le rendement du moteur asynchrone
 La consommation énergétique d’un moteur électrique
62
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32
Le rendement du moteur asynchrone
 L’effet de l’amélioration du rendement du moteur –exemple-
63
Puissance (HP) 10
charge % 75
rendement standard 88,4
Coût d'acquisition du moteur standard(MAD) 5 800,00
rendement élevé 92,5
Coût d'acquisition du moteur performant (MAD) 7 000,00
Coût du kWh (MAD) 0,80
heures/an de fonctonnement 6000
Comparaison sur une période de (ans) 5
Moteur standard
Consommation en kWh 189 876
Emission en CO2eq (Kg) [580g/kWh mix] 110 128
Coùt du moteur 5 800,00
Coût de l'énergie 151 900,45
Coût de l'entretient 4 000,00
Coût global 161 700,45
Moteur à rendement élevé
Consommation en kWh 181 459
Emission en CO2eq (Kg) [580g/kWh mix] 105 246
Coùt du moteur 7 000,00
Coût de l'énergie 145 167,57
Coût de l'entretient (800 Mad/an) 4 000,00
Coût global 156 167,57
Le rendement du moteur asynchrone
 L’effet de l’amélioration du rendement du moteur –Impact sur le
coût-
64
an 0 1 2 3 4 5
Moteur standard 5 800 32 340 64 680 97 020 129 360 161 700
moteur performant 7 000 31 234 62 467 93 701 124 934 156 168
Ecart des coûts 1 200- 93- 2 120 5 439 9 866 15 399
-4 000
-2 000
-
2 000
4 000
6 000
8 000
10 000
12 000
14 000
16 000
18 000
0 1 2 3 4 5 6
Evolution du coût
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33
Le rendement du moteur asynchrone
 L’effet de l’amélioration du rendement du moteur –Impact sur le CO2eq-
65
Moteur standard 22 026 44 051 66 077 88 102 110 128
moteur performant 21 049 42 099 63 148 84 197 105 246
Ecart des émissions
en Kg CO2eq 976 1 953 2 929 3 905 4 881
-
1 000
2 000
3 000
4 000
5 000
6 000
0 1 2 3 4 5 6
Ecart des émissions en Kg de CO2eq
Le rendement du moteur asynchrone
 Le rendement des moteurs électriques et la réglementation
Un peu d’histoire
L’accord volontaire CEMEP (Comité Européen de Constructeur de Machines
Electriques et d’électroniques de Puissance) avait défini trois classes d’efficacité pour
les moteurs électriques:
• EFF3 Moteur faible rendement
• EFF2 Moteur à rendement amélioré
• EFF1 Moteur haut rendement
Ces classes sont remplacées par trois
niveaux de rendement suivant
la nouvelle norme IEC/EN 60034-30 :
• IE1 Rendement standard
• IE2 Haut rendement
• IE3 Rendement premium
66
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34
Le rendement du moteur asynchrone
 Schéma d’application de la loi sur les nouvelles normes européennes de
rendement des moteurs électriques:
Phase 1 : 16 juin 2011
Les moteurs mono-vitesse d’une puissance entre 0,75 et 375 kW doivent être de
niveau de rendement IE2 minimum.
Phase 2 : 1 Janvier 2015
Les moteurs d’une puissance comprise entre 7,5 et 375 kW doivent avoir un niveau
de rendement IE3 minimum. Ou IE2 s’ils sont utilisés avec un variateur de fréquence.
Phase 3 : 1 Janvier 2017
Les moteurs d’une puissance entre 0,75 et 375 kW doivent être de niveau de
rendement IE3.
Les moteurs IE2 peuvent encore être utilisés s’ils sont entrainés par un variateur de
fréquence.
67
Le rendement du moteur asynchrone
 Les valeurs du rendement IE1 IE2 et IE3 (CE 640/2009)
68
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35
Le rendement du moteur asynchrone
 La réglementation sur rendement des moteurs électriques à travers le monde
69
Merci à vous
Mohammed TAJAYOUTI
Enseignant chercheur à l’EST de Salé
70
12/09/2014
36
Université d’été sur Efficacité Energétique dans l’Industrie
Pour étudiants et jeunes chercheurs
Université Sultan Moulay Slimane – Beni Mellal
8 – 12 Septembre 2014 –
Variateurs de vitesses des moteurs
électriques
Mohammed TAJAYOUTI
Enseignant chercheur à l’EST de Salé
71
Plan
 Raisons de la variation de vitesse
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones
 Principe de réglage de la fréquence
 Bénéfices du variateur de fréquence
 Inconvénients du variateur de fréquence
 Etude de cas : pompage
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Raison de la variation de vitesse
Plusieurs variable de process dans l’industrie nécessitent des variations de vitesse
 Débit,
 pression,
 température,
 Vitesse de rotation
 Etc.
et plusieurs machines sont utilisées :
 Les pompes
 Les ventilateurs
 Les compresseurs
 Les convoyeurs
 etc.
73
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Raison de la variation de vitesse -suite-
La variation de la vitesse des machines peut s’accompagner d’une économie
substantielle de l’énergie tout en gardant le même degré de confort et de souplesse
dans le processus industriel.
 Les différentes technologies pour varier la vitesse
- Mécanique
- Hydraulique
- Variateur pour moteur à courant continu
- Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone
-Le moteur asynchrone couplé avec un variateur de fréquence est de loin le plus
intéressant pour la variation de la vitesses.
74
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones
L’expression du couple électromagnétique et du courant satorique
=3
²
 (  )²
I =
²
( )²
LR : Inductance de fuite au rotor
RR : Résistance du rotor
(ces deux grandeurs sont ramenées
au stator)
m0 : rapport de transformation
V1 : tension primaire ; I1 : courant primaire
f : fréquence du réseau (50 Hz) ; ωs= 2 π f ;
P: nombre de paires de pôles ;
Ωs= ωs/p vitesse de synchronisme
75
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones
76
Cemax
Cedémarage
Isdémarage
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones -le point de
fonctionnement du moteur-
C’est l’intersection entre la courbe du couple résistant qui dépend de la charge et du
couple moteur.
On distingue les 4 profiles types du couple résistant :
77
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones -le point de
fonctionnement du moteur-
Le point de fonctionnement C=30 N.m et W=1420 tr/mn 78
12/09/2014
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la
vitesse en fonction de la charge-
Cr1=30 N.m et W 1=1425 tr/mn
Cr2=15 N.m et W1=1460 tr/mn
une diminution de 50% du couple fait varier la vitesse de 2,5% seulement. 79
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la
vitesse en fonction de la tension-
sous une tension de V1 (la courbe de Ce1), on a W1=1425 tr/mn
Sous une tension de 10% plus grande Pour (la courbe de Ce2), on a W2=1440 tr/mn
une augmentation de 10% de la tension ne fait varier la vitesse que de de 1,1%. 80
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la
vitesse en fonction de la Résistance rotorique-
81
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la
vitesse en fonction de la Résistance rotorique-
Il s’agira donc des moteurs à rotor bobiné donc accessible; On rappelle que :
=3
²
 (  )²
; on monte que : =3
²
²
et que le glissement correspondant au couple maximal est gcmax= 
Cemax ne dépend pas de RR et gcmax est proportionnel à RR
82
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la
vitesse en fonction de la Résistance rotorique-
W1=1425 tr/mn , W2=1370 tr/mn et W3=1290 tr/mn
Inconvénient : pertes dans les résistances du rotor
83
gmax1=0,25gmax2=0,42gmax3=0,66
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil -
action sur la fréquence-
On rappelle encore les expression du couple du couple maximal et du glissement
correspondant :
=3  (  )²
; =3 ²
et gcmax= 
Or  =2πf ; il vient donc que :
=3 2πf ( 2πf)²
; =3
(2πf)²
et gcmax= (2πf)
On obtient les caractéristiques suivantes.
84
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil -
action sur la fréquence-
W1(66,7 Hz)=1815 tr/mn ; W2(50 Hz)=1425 tr/mn , W3(33,3 Hz)=965 tr/mn
Cemax est Inversement proportionnel à f ²
gcmax Inversement proportionnel à f 85
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil -
action sur la fréquence-
Pour que la machine garde ses performances magnétiques, on cherche un fonctionnement à
flux constant ; or le flux est proportionnel au rapport de la tension par la fréquence.
L’évolution de la commande électronique a permis d’avoir ce réglage.
86
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil –
combinaison redresseur onduleur autonome-
Pour que la machine garde ses performances magnétiques, on cherche un fonctionnement à
flux constant ; or le flux est proportionnel au rapport de la tension par la fréquence.
Plusieurs commandes électroniques permettent d’avoir ce fonctionnement.
combinaison redresseur onduleur autonome
Les courants générés ne sont pas de forme sinusoïdale ce qui entraîne des pertes
supplémentaires dans le fer. Conséquence : déclassement de la machine. 87
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil –
variateur de fréquence MLI-
Le variateur de fréquence Variation de fréquence avec Modulation de Largeur
d’Impulsion (MLI) permet d’obtenir des formes d’onde plus proches de la sinusoïdes;
d’où les avantages :
- Pertes plus faibles
- Rotation harmonieuse du moteur
- Déclassement inférieur à 5%
88
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etude de cas : pompage
Les systèmes de pompages pompes sont omniprésents dans divers secteurs
industriels; on estime à plus de 40% leur quota part dans la consommation
énergétique.
La performance d’une pompe peut être illustrée directement sur sa courbe
caractéristique.
Les courbes caractéristiques indiquent la hauteur manométrique totale fournie par
la pompe, sa puissance et son efficacité à partir du débit nul jusqu'à la capacité
maximale.
89
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etude de cas : pompage – courbe caractéristique de la pompe
centrifuge
90
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etude de cas : pompage – courbe caractéristique de la pompe
centrifuge
91
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etude de cas : pompage – courbe caractéristique de la pompe
centrifuge
92
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etude de cas : pompage – courbe du réseau
Il est possible d'établir la courbe du réseau en déterminant la hauteur
manométrique totale pour une gamme de débits.
La hauteur statique du système est définie par la hauteur manométrique totale, là
où le débit est nul.
À mesure que le débit s'accroît, une hauteur supplémentaire est requise afin de
surmonter la résistance du système à l'écoulement. Cette résistance est
généralement proportionnelle au carré du débit.
Cette résistance exprime les pertes linéaires proportionnelles à la longueur de la
conduite (L) et aux pertes singulières.
93
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etude de cas : pompage – courbe du réseau
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etude de cas : pompage – courbe du réseau
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etude de cas : pompage – le point de fonctionnement
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Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etude de cas : pompage -la puissance mise en jeu
La puissance demandée par la pompe nécessaire au déplacement du liquide et à
vaincre les différents frottements au niveau de la roue de la pompe est :
P= (rg Q H)/h
P : la puissance demandée par la pompe [Watt]
r :la masse volumique du fluide à transporter [Kg/m3]
g : l’accélération de la pesanteur [m/s²]
Q : le débit [m3/s]
H : la hauteur manométrique totale [m]
97
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etudes de cas - pompage – le caractéristiques de la pompe à
plusieurs vitesses
Quand la vitesse passe de W1 a W3 le point de fonctionnement passe de A à C 98
12/09/2014
50
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etudes de cas - pompage – l’avantage de la variation de vitesse pour
les pompes.
La pompe centrifuge est une turbo pompe caractérisée par les équations suivantes :
H =k1 Q² et P=k2 H Q
P : la puissance demandée par la pompe [Watt]
Q : le débit [m3/s]
H : la hauteur manométrique [m]
K1 et k2 des constantes
Si le débit passe de Q1 à Q2 la puissance passe de P1 à P2
P2= P1 (Q2/Q1)3
Si la vitesse (et par suite le débit) est divisée par 2, la puissance est divisée par 8.
99
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etudes de cas - pompage – l’avantage de la variation de vitesse pour
les pompes.
Considérons un circuit hydraulique alimenté par une pompe. Celle-ci est entraînée par un
moteur tournant à une vitesse W1.
La puissance appelée par la pompe est représentée par la surface hachurée du rectangle.
100
12/09/2014
51
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etudes de cas - pompage – l’avantage de la variation de vitesse pour
les pompes.
On voudrait diminuer le débit de Qo a Q1. L’opération la plus immédiate et la plus simple
consiste à fermer partiellement une vanne dans le circuit. La fermeture Partielle de
la vanne a pour effet d’augmenter
les pertes de charge du circuit
de Ho à H1.
La puissance appelée par la pompe
est représentée par la surface
hachurée du rectangle.
101
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etudes de cas - pompage – l’avantage de la variation de vitesse pour
les pompes.
L’autre option consiste à faire varier la vitesse du moteur entrainant la pompe à
l’aide d’un variateur de vitesse. (de W1 à W3).
La pompe va passer d’une courbe
caractéristique à une autre.
La puissance développée par la
pompe (et donc fournie par le
moteur), est plus faible.
102
12/09/2014
52
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etudes de cas - pompage – Exemple pratique
un moteur asynchrone d’une puissance de 150 kW entraine une
pompe centrifuge (14m et 1135 m3/h) dont le profil des charges est
comme suit :
103
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etudes de cas - pompage – Exemple pratique
Dans une première partie on détermine l’énergie annuelle consommée, le moteur tournant à
une vitesse constante (la variation du débit étant assurée par une vanne.
104
Point de fonctionnement Q1 Q2 Q3 Q4 Qn
débit m3
/h 275 568 795 1 022 1 135
Hauteur statique m 12,00 12,00 12,00 12,00 14,00
Petes de charges m 0,60 2,50 4,90 6,70 10,10
Pertes de charges de la vanne m 21,30 18,30 14,30 9,10 1,70
Hauteur manomètrique totale m 33,90 32,80 31,20 27,80 25,80
Rendement de la pompe % 40 65 77 82 83
Puissance appelée par la pompe kW 64 105 118 127 129
Charge du moteur (Pn=150kW) % 42 70 78 84 86
Rendement du moteur % 88 91 91 91 92
Puissance absorbée par le moteur 72 115 129 139 140
Heures de fonctionnement kW 700 2 000 2 000 200 100
Consommation de l'énergie kWh 50 519 230 104 258 611 27 816 14 008
Consommation totale kWh 581 059
12/09/2014
53
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etudes de cas - pompage – Exemple pratique
On se décide d’installer un variateur de vitesse pour varier le débit, et on recalcule la
consommation énergétique.
105
Point de fonctionnement Q1 Q2 Q3 Q4 Qn
débit m
3
/h 275 568 795 1 022 1 135
Hauteur statique m 12,00 12,00 12,00 12,00 14,00
Petes de charges m 0,60 2,50 4,90 6,70 10,10
Hauteur manomètrique totale m 12,60 14,50 16,90 18,70 24,10
Rendement de la pompe % 40 62 75 77 77
Puissance appelée par la pompe kW 24 49 65 91 130
Charge du moteur (Pn=150kW) % 16 32 44 60 87
Rendement du moteur % 37 67 80 89 92
Puissance absorbée par le moteur kW 64 72 82 102 141
Vitesse de rotation tr/mn 580 625 710 790 875
Rapport de vitesse % 58 63 71 79 88
Rendement du variateur de vitesse% 83,2 84,7 86,9 89 91,2
Puissance absorbée kW 77 86 94 114 155
Heures de fonctionnement kW 700 2 000 2 000 200 100
Consommation de l'énergie kWh 53 676 171 011 188 252 22 892 15 466
Consommation totale kWh 451 297
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 Etudes de cas - pompage – Exemple pratique
Comparons à présents les 2 scenarii :
La consommation annuelle à vitesse constante : 581 000 kWh
Soit un coût annuel de l’énergie électrique de : 464 000 ,00MAD (0,80MAD/kWh)
La consommation annuelle avec variateur de vitesse : 451 000 kWh
Soit un coût annuel de l’énergie électrique de : 361 000 ,00MAD
Soit une économie annuelle de l’ordre de 100 000,00 MAD
La deuxième solution impliquerait un coût d’investissement lé à l’acquisition et a l’installation
d’un variateur de vitesse pour moteur de 150 kW
Ce coût est de l’ordre de 200 000,00 MAD
Le temps de retour de cet investissement est d ’environ deux années
On note aussi que l’empreinte carbone est diminuée de 75 000 kg 106
12/09/2014
54
Variateurs de vitesses des moteurs électriques
 En guise de conclusion
On a passé en revu deux manières améliorer l’efficacité énergétique des moteurs électriques.
1/ minimiser les pertes en dimensionnant correctement son moteur et en adoptant des
moteurs à haut rendement : IE2, IE3 voire IE4. on arrive facilement à une amélioration de 2%
à 5% du rendement et un temps de retour sur investissement de l’ordre d ’un an.
2/ Optimiser la variation du vitesse électronique du moteur, surtout lorsqu’il est régulièrement
amené à fonctionner en charge partielle ;
Le moteur asynchrone couplé à un variateur de fréquence est de loin le type de moteur le plus
utilisé pour les applications où il est nécessaire de contrôler la vitesse d'une charge.
Les économies potentielles sont intéressantes en tertiaire ou la force motrice représente 30%
de la puissance consommée et surtout en milieu industriel cette proportion passe à 70%.
La généralisation de l’utilisation des filtres va atténuer l’effet des harmoniques dans le réseau
électrique.
107
Merci à vous
Mohammed TAJAYOUTI
Enseignant chercheur à l’EST de Salé
108

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Moteur électrique et variateur de vitesse

  • 1. 12/09/2014 1 Université d’été sur Efficacité Energétique dans l’Industrie Pour étudiants et jeunes chercheurs Université Sultan Moulay Slimane – Beni Mellal 8 – 12 Septembre 2014 – Moteurs électriques Mohammed TAJAYOUTI Enseignant chercheur à l’EST de Salé 1 Plan  Un mot sur l’efficacité énergétique dans l’industrie  Rappels sur l’électromagnétisme  Moteurs à courant continu  Moteurs synchrones  Moteurs asynchrones  Rendement du moteur asynchrone 2
  • 2. 12/09/2014 2 Un mot sur l’efficacité énergétique dans l’industrie 3 Un mot sur l’efficacité énergétique dans l’industrie  Les enjeux L’énergie dans l’industrie c’est surtout : Le gaz et le fuel L’électricité (la force motrice représente environ 70%) 4
  • 3. 12/09/2014 3 Un mot sur l’efficacité énergétique dans l’industrie  Un but: « Consommer l’énergie juste nécessaire » ou encore : consomme moins, qui consomme mieux et qui est plus confortable.  Une démarche concernant la force motrice électrique - Mesurer - Optimiser Moteurs électriques à haut rendement Commande des moteurs par variateurs de vitesse Compensation de l’énergie réactive la maintenance des moteurs électriques 5 Rappels sur l’électromagnétisme 6
  • 4. 12/09/2014 4 Rappels sur l’électromagnétisme  Champ magnétique à l’état naturel Le champ magnétique terrestre est de l'ordre de 10-4 T. Le champ d'un aimant ordinaire est de quelques centièmes de Tesla. 7 Rappels sur l’électromagnétisme  La loi de Biot et Savart Si un courant constant traverse un conducteur électrique de longueur élémentaire dl, il crée localement une induction magnétique dB : = ^ dl : longueur du circuit soumis au courant I r : distance µo :perméabilité magnétique du vide (µo = 4π.10-7 U.S.I.) 8
  • 5. 12/09/2014 5 Rappels sur l’électromagnétisme  Force de Laplace = I ^ Pour augmenter la force de Laplace on augmente donc I ou B, tout en sachant que si l’on augmente I on augmente les pertes Joules et donc l’échauffement des conducteurs. 9 Rappels sur l’électromagnétisme  Le flux magnétique Le flux magnétique φ à travers une surface S quelconque vérifie la relation : φ = ∯ . dS où n est la normale à la surface élémentaire dS, c’est à dire un vecteur unitaire perpendiculaire à dS. 10
  • 6. 12/09/2014 6 Rappels sur l’électromagnétisme  Règle du flux maximum Tout conducteur délimitant une surface, parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique tend à s’orienter de façon à ce que le flux au travers de la surface soit maximum. Cette règle permet d’expliquer la rotation des moteurs électriques comme le moteur à courant continu. 11 Rappels sur l’électromagnétisme  Le champ d’excitation H Le champ d’excitation H rend compte de l’influence du milieu magnétique sur les autres grandeurs. Il s’exprime en Ampères par mètre Dans le vide : = 0 Dans un matériaux ferromagnétiques : = 0 r La base de la réalisation des machines électriques industrielles est d’utiliser des matériaux dits ferromagnétiques dont la perméabilité µ est supérieur au µ0 du vide et donc d’augmenter la valeur de B de façon la plus optimale. (µr (fer) ≈ 10 000) 12
  • 7. 12/09/2014 7 Rappels sur l’électromagnétisme  Théorème d’Ampère . ∮ =∑ ∓ La circulation du vecteur H le long d’une courbe fermée (C) quelconque est égale à la somme algébrique des courants traversant la surface s’appuyant sur le contour (C) 13 Rappels sur l’électromagnétisme  Pertes dans les circuits magnétiques Pertes par hystérésis Ph=kh f Bm² f : fréquence Pertes par courants de Foucault Les variations du champ magnétique dans la matière génèrent par induction des courants induits qui se rebouclent sur eux-mêmes. Il y a donc échauffement par effet joule. PF = kF f2 Bm2 - 14
  • 8. 12/09/2014 8 Rappels sur l’électromagnétisme  Loi de Faraday Toute variation de flux à travers un circuit électrique fermé donne naissance à un courant induit, l'existence du courant coïncide avec celle de la variation de flux, si le circuit est ouvert, il y a force électromotrice induite,  Loi de Lenz Le courant induit est tel que par ses effets s'oppose à la cause qui lui a donné naissance : e= - dφ/dt 15 Moteur à courant continu 16
  • 9. 12/09/2014 9 Moteur à courant continu  Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement repose sur la force de Laplace. = I ^ 17 Moteur à courant continu  Les constituants On distingue : Une partie fixe le stator ou inducteur et une partie tournante, le rotor ou induit séparées par un entrefer. Source upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/89/Electric_motor.gif Le stator et le rotor sont constitués par un assemblage de tôles afin de limiter les pertes par courants de Foucault et par hystérésis ; 18
  • 10. 12/09/2014 10 Moteur à courant continu  Les constituants -suite- Le circuit inducteur, qui est la source de champ magnétique. Il peut être formé soit par des aimants permanent, soit par des bobines inductrices. Les bobines sont placées autour de noyaux polaires. La machine est dite bipolaire si elle ne comporte qu’un pôle Nord et un pôle Sud. 19 Moteur à courant continu  Les constituants -suite- Le circuit induit au rotor. Il est formé de conducteurs logés dans des encoches. 20
  • 11. 12/09/2014 11 Moteur à courant continu  Les constituants -suite- Le collecteur qui, associé aux balais, permet de relier le circuit électrique rotorique de l’induit à un circuit électrique extérieur à la machine. Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre isolées latéralement les unes des autres réunies aux conducteurs de l’induit en certains points. Les balais, portés par le stator, frottent sur les lames du collecteur, et permettent d’établir une liaison électrique entre l’induit qui tourne et l’extérieur de la machine qui est fixe. 21 Moteur à courant continu  Les équations régissant le moteur à courant continu Chacun des conducteurs de l’induit est alors parcouru par un courant et, placé dans le champ magnétique inducteur, est soumis à une force de Laplace telle que : F = B.I.l. La force est proportionnelle à l’intensité I du courant induit et à l’intensité B du champ magnétique créé par l’inducteur. Deux conducteurs sont reliés pour former une spire. Il apparaît deux forces de même intensité F mais de sens opposés qui forment un couple électromagnétique d’intensité T = 2.r.F. (r : rayon du rotor) On a donc : T = 2.r.F = 2.r.B.I.l = S.B.I = Φ.I 22
  • 12. 12/09/2014 12 Moteur à courant continu  Les équations régissant le moteur à courant continu -suite- On montre que le moment du couple électromagnétique total TEM exercé sur l’induit vaut : Tem = K.Φ.I Tem en newton mètre K : constante du moteur qui ne dépend que de sa constitution (nombre total de conducteurs N… on montre que K = p N/2πa avec p nombre de paires de pôles et a nombre de paires de voies d’enroulement, Φ : flux créé par un pôle inducteur, en webers I : intensité du courant dans chaque conducteur de l’induit. 23 Moteur à courant continu  Les équations régissant le moteur à courant continu -suite- La Force électromotrice induite Le flux magnétique embrassé par chaque spire de l’induit varie lorsqu’elle celle-ci est entraînée en rotation. La loi de Faraday, apparaît aux bornes de cette spire. Il en est de même pour chaque spire de l’induit : e= - dΦ/dt On montre que la f.é.m. induite totale E qui apparaît aux bornes de l’induit vaut : E = K.Φ.Ω E : la fem Φ : flux créé par un pôle inducteur Ω : vitesse de rotation du moteur 24
  • 13. 12/09/2014 13 Moteur à courant continu  Les équations régissant le moteur à courant continu -suite- L’induit U = E + R I L’inducteur Alimenté aussi en continu par une tension UE, son modèle équivalent se réduit à la résistance RE des bobines de l’inducteur. UE = RE IE 25 Moteur à courant continu  Moteur CC à excitation indépendante On a : Ue= R Ie et U= E+ R I Pour des conditions d’excitation fixées, le flux est constant et on a donc : Tem = k.I et E = k.Ω avec k= K.Φ Si on néglige les pertes on peut dire que : La vitesse est proportionnelle à la tension de l’induit 26
  • 14. 12/09/2014 14 Moteur à courant continu  Moteur CC à excitation indépendante -Bilan de puissance- Le rendement de la machine ƞ = Pu/Pa 27 Moteur à courant continu  Moteur CC à excitation série Dans l’hypothèse de la non saturation : Φ = k I On rappelle que : E = K Φ Ω et Tem = K Φ I Il vient donc : Tem = K’ I ² et U ≈ E = K’ Ω I (on néglige els pertes) Si le couple augmente, le courant augmente et la vitesse diminue. 28
  • 15. 12/09/2014 15 Moteur à courant continu  Moteur CC à excitation série -Bilan de puissance- Le rendement de la machine ƞ = Pu/Pa 29 Moteur à courant continu  Avantages et inconvénients Avantages accompagné d'un variateur de vitesse électronique, il possède une large plage de variation (1 à 100 % de la plage), régulation précise du couple, son indépendance par rapport à la fréquence du réseau fait de lui un moteur à large champ d'application, Inconvénients peu robuste par rapport au machine asynchrone, investissement important et maintenance coûteuse (entretien du collecteur et des balais, 30
  • 16. 12/09/2014 16 Moteur synchrone 31 Moteur synchrone  Constitution Le moteur synchrone se compose d'un stator et d'un rotor séparés par l'entrefer. Le stator Le stator comprend une carcasse et un circuit magnétique d’un bobinage triphasé alimenté en courant alternatif triphasé pour produire un champ tournant. Le rotor Le rotor porte des aimants ou des bobines d'excitation parcourues par un courant continu qui créent des pôles Nord et Sud intercalés. 32
  • 17. 12/09/2014 17 Moteur synchrone  Constitution - suite- 33 Moteur synchrone  Constitution - suite- Il existe donc deux types distincts de moteurs synchrones : les moteurs à aimants et les moteurs à rotor bobiné. Pour les premiers, le rotor du moteur est équipé d'aimants permanents. Les autres machines synchrones sont à rotor bobiné, elles sont réversibles et peuvent fonctionner en générateurs (alternateurs) ou en moteurs. 34
  • 18. 12/09/2014 18 Moteur synchrone  Le système triphasé U12 = √ Ueff cos (ωt+ϕ) U23 = √ Ueff cos (ωt+ϕ - 2π/3) U31 = √ Ueff cos (ωt+ϕ + 2π/3) . 35 Moteur synchrone  Le champ tournant (théorème de Ferraris) Un champ tournant peut être créé par trois bobines positionnées sur le stator avec un décalage de 120°, chacune alimentées par une phase d'un courant électrique triphasé. La fréquence de rotation est alors égale à la fréquence de courants d'alimentation. Il démontre également que 3p bobines alimentées en triphasé et décalées de 120°/p permettent d'obtenir un champ tournant avec une fréquence de rotation f/p. 36
  • 19. 12/09/2014 19 Moteur synchrone  Le modèle électrique du moteur synchrone Ωs : vitesse du synchronisme Ωs = ω/p ou bien ns =60 f/p (tr/min) V = E + R J + j Lω J E = dΦ/dt = jω Φ Cm = Pa/ Ωs = 3 V J cosϕ / Ωs - L'inducteur (stator) d'une MS triphasée comprend trois enroulements : - Hypothèses : la machine n'est pas saturée ; les champs magnétiques sont sinusoïdaux. - Au stator s'appliquent les grandeurs d'enroulement : V (tension entre phase et neutre) et J . La caractéristique statique mécanique d'un MS se réduit à un segment de droite, pour Ω = Ωs = cte Si la fréquence du réseau est fixe, un moteur synchrone ne peut démarrer seul. 37 Moteur synchrone  Le rendement du moteur synchrone Le rendement de la machine ƞ = Pm/ [Pe + Petes dans l’inducteur] 38
  • 20. 12/09/2014 20 Moteur synchrone  Les avantages et els inconvénients du moteur synchrone Les avantages il peut travailler avec un facteur de puissance proche de 1 (cos ~ 1). Il contribue donc à redresser le cos global de l'installation électrique. la vitesse du moteur est constante quelle que soit la charge Il peut supporter des chutes de tension important sans décrocher. Un rendement très intéressant Les inconvénients S'il n'est pas associé à un variateur de vitesse, il a des difficultés à démarrer. Il peut décrocher en cas de forte charge. 39 Moteur asynchrone 40
  • 21. 12/09/2014 21 Moteur asynchrone (MAS)  La constitution le stator : c’est la partie magnétique fixe du MAS. Elle comporte des enroulements qui, alimentés en énergie électrique, vont produire un champ magnétique tournant. le rotor : partie libre en rotation comportant des conducteurs qui seront soumis au champ tournant. Ces conducteurs peuvent être soit des bobines (technologie en voie de disparition) soit des barres de cuivres ; on parle alors de rotor en court-circuit (ou à cage à d’écureuil). la plaque à bornes : fixée sur la carcasse, elle comporte un ensemble de 6 bornes permettant de connecter les bobines statoriques à l’alimentation électrique en effectuant le couplage 41 Moteur asynchrone (MAS)  La constitution 42
  • 22. 12/09/2014 22 Moteur asynchrone  La constitution -moteur à cage- 43 Moteur asynchrone  La constitution -moteur à bagues 44
  • 23. 12/09/2014 23 Moteur asynchrone  Principe de fonctionnement Le stator produit un champ tournant (le même principe du staor du moteur synchrone) Le rotor se trouvant au centre de ce champ. Tant que le rotor a une fréquence de rotation différente que celle du champ inducteur, chaque point de rotor « voit » une variation de champ. Les conducteurs rotoriques produisent donc une f.é.m. qui, dans le circuit fermé, va donner naissance à des courants induits. Cela se traduit concrètement par un phénomène de poursuite du rotor vis à vis du champ tournant sans qu’il n’arrive jamais à le rattraper. Le rotor ne peut jamais tourner à la même vitesse que le stator. 45 Moteur asynchrone  Création du champ tournant C’est le même principe que pour le moteur synchrone : Trois enroulements, géométriquement décalés de 120°, sont alimentés chacun par une des phases d'un réseau triphasé alternatif produisent un champ magnétique tournant 46
  • 24. 12/09/2014 24 Moteur asynchrone  Quelques Définition Vitesse de synchronisme La vitesse de synchronisme des moteurs asynchrones triphasés est proportionnelle à la fréquence du courant d’alimentation et inversement proportionnelle au nombre de paires de pôles constituant le stator. Ns = 60 f/p Ns : vitesse de synchronisme en tr/min (Ωs : rd/s) f : fréquence en Hz, p : nombre de paires de pôles. Vitesse de rotation du moteur N (tr/mn) (Ωs : rd/s) 47 Moteur asynchrone  Quelques Définition -suite- Le glissement du moteur g Il traduit la différence entre la vitesse du synchronisme et celle de la rotation du moteur : g= (Ns-N)/Ns Exemple : pour une machine ayant deux paires de pôles et alimentée par un réseau électrique de fréquence 50 Hz ; on a : Ns= 60 x 50 / 2= 1500 tr/mn Si le glissement est de 3% alors N = 0,97*1500 = 1455 tr/mn 48
  • 25. 12/09/2014 25 Moteur asynchrone  L’intérêt du moteur asynchrone Le moteur asynchrone est de beaucoup le moteur le plus utilisé dans l’ensemble des applications industrielles, du fait de : - sa facilité de mise en œuvre, - de son faible encombrement, - de son bon rendement - de son excellente fiabilité. Son inconvénient majeur est l’énergie réactive, toujours consommée pour magnétiser l’entrefer. Les machines triphasées, alimentées directement sur le réseau, représentent la grande majorité des applications ; supplantant les autres types de moteurs aux performances globales bien moindres. 49 Moteur asynchrone  L’intérêt du moteur asynchrone – suite- L'avantage principal des machines à courant continu résidait dans leur possibilité de faire varier leur vitesse par simple action sur la tension et sans grande perte de rendement. Cependant, aujourd'hui, l’évolution des variateurs de fréquence on retrouve désormais la machine asynchrone dans une gamme de puissance très étendue et dans de très nombreux domaines d'applications où elle a longtemps été concurrencée par les moteurs synchrones. 50
  • 26. 12/09/2014 26 Moteur asynchrone  Tableau comparatif 51 Type de moteur Asynchrone à cage Asynchrone à bague Synchrone A courant continu Coût du moteur Faible Elevé Elevé Elevé Démarrage direct sur le réseau Aisé Dispositif particulier Très difficile Non prévu Variation de vitesse Facile possible Fréquent toujours Coût de la solution de plus en plus économique Economique économique très économique Performance en variation de vitesse de plus en plus élevée Moyenne Elevée Elevée à très élevée Utilisation industrielle Universelle en diminution dans les grande puissances en diminution Moteur asynchrone  Le modèle du moteur asynchrone Le moteur asynchrone est un transformateur avec un secondaire en court-circuit et tournant. De ce fait la fréquence des courants rotoriques vaut : fr= g f (ω=2 π f) Schéma équivalent d’une phase du moteur ramenée au stator Ls : Inductance de fuite au stator Rs : Résistance du stator Lf, Rf : L'impédance magnétisante LR : Inductance de fuite au rotor RR : Résistance du rotor (ces deux grandeurs sont ramenées Au Stator) m0 : rapport de transformation V1 : tension primaire ; I1 : courant primaire 52
  • 27. 12/09/2014 27 Moteur asynchrone  Les puissances mise en jeu dans le rotor du moteur asynchrone Puissance transmise au rotor Ptr : Ptr= 3 RR/gmo² IR² Pertes par effet Joule au rotor PJR : PJR= 3 RR/mo² IR² PJR= g Pe Puissance mécanique Pm : Pm= Ptr - PJR= (1-g) Ptr 53 Moteur asynchrone  L’expression du couple électromagnétique : Ce Pm= (1-g) Ptr = Ce Ωs =3 ²  (  )²  L’expression du courant Le courant peut être approché par l’expression suivante : I = ² ( )² On rappelle que g = (Ns-N)/Ns = (Ωs - Ω)/ Ωs 54
  • 28. 12/09/2014 28 Le rendement du moteur asynchrone 55 Le rendement du moteur asynchrone  L’expression du rendement des moteurs asynchrones Pa = 3 U I cos Pjs=3 Rs Is² Pf=3 V² / Rf Ptr= 3 (RR/mo²)/g IR² Pjr= = 3 (RR/mo²) IR² Pm = (1-g) Ptr Pmc= Pm-Prm = = =1 - 56 Impossible d’afficher l’image.
  • 29. 12/09/2014 29 Le rendement du moteur asynchrone  L’expression du rendement des moteurs asynchrones = = =1 - = 57 Le rendement du moteur asynchrone  L’expression du rendement des moteurs asynchrones Dans tout moteur électrique une partie de la puissance électrique absorbée est dissipée sous forme de chaleur. Les pertes d'énergie au niveau des moteurs asynchrones sont constituées par : - des pertes par effet Joule dans les bobinages parcourus par le courant au stator - des pertes dans le circuit fer - des pertes par effet Joule dans l'induit au niveau du rotor, - des pertes mécaniques par frottement au niveau du rotor. 58
  • 30. 12/09/2014 30 Le rendement du moteur asynchrone  Comparaison entre les rendements des moteurs électriques Les moteurs monophasés n'ont pas un bon rendement. Par contre, qu'ils soient asynchrones ou synchrones, celui des les moteurs triphasés est bon. Le rendement des moteurs à courant continu qui peut atteindre 80 % est moins bon que celui des moteurs à courant alternatif. 59 Le rendement du moteur asynchrone  L’influence de la puissance et de la charge  s un moteur est puissant plus son rendement sera élevé. Le rendement diminue aussi avec le taux de charge du moteur. 60
  • 31. 12/09/2014 31 Le rendement du moteur asynchrone  La consommation énergétique d’un moteur électrique -exemple- 61 Puissance (HP) 10 charge % 75 rendement 88,4 Coût d'acquisition du moteur (MAD) 5 800,00 Coût du kWh (MAD) 0,80 heures/an de fonctonnement 6000 Coût sur 1 an 1 Consommation en kWh 37 975 Emission en CO2eq (Kg) [580g/kWh mix] 22 026 Coùt du moteur 5 800,00 16% Coût de l'énergie 30 380,09 82% Coût de l'entretient (800 Mad/an) 800,00 2% Coût sur 5 ans 5 Consommation en kWh 189 876 Emission en CO2eq (Kg) [580g/kWh mix] 110 128 Coùt du moteur 5 800,00 4% Coût de l'énergie 151 900,45 94% Coût de l'entretient (800 Mad/an) 4 000,00 2% Le rendement du moteur asynchrone  La consommation énergétique d’un moteur électrique 62
  • 32. 12/09/2014 32 Le rendement du moteur asynchrone  L’effet de l’amélioration du rendement du moteur –exemple- 63 Puissance (HP) 10 charge % 75 rendement standard 88,4 Coût d'acquisition du moteur standard(MAD) 5 800,00 rendement élevé 92,5 Coût d'acquisition du moteur performant (MAD) 7 000,00 Coût du kWh (MAD) 0,80 heures/an de fonctonnement 6000 Comparaison sur une période de (ans) 5 Moteur standard Consommation en kWh 189 876 Emission en CO2eq (Kg) [580g/kWh mix] 110 128 Coùt du moteur 5 800,00 Coût de l'énergie 151 900,45 Coût de l'entretient 4 000,00 Coût global 161 700,45 Moteur à rendement élevé Consommation en kWh 181 459 Emission en CO2eq (Kg) [580g/kWh mix] 105 246 Coùt du moteur 7 000,00 Coût de l'énergie 145 167,57 Coût de l'entretient (800 Mad/an) 4 000,00 Coût global 156 167,57 Le rendement du moteur asynchrone  L’effet de l’amélioration du rendement du moteur –Impact sur le coût- 64 an 0 1 2 3 4 5 Moteur standard 5 800 32 340 64 680 97 020 129 360 161 700 moteur performant 7 000 31 234 62 467 93 701 124 934 156 168 Ecart des coûts 1 200- 93- 2 120 5 439 9 866 15 399 -4 000 -2 000 - 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000 18 000 0 1 2 3 4 5 6 Evolution du coût
  • 33. 12/09/2014 33 Le rendement du moteur asynchrone  L’effet de l’amélioration du rendement du moteur –Impact sur le CO2eq- 65 Moteur standard 22 026 44 051 66 077 88 102 110 128 moteur performant 21 049 42 099 63 148 84 197 105 246 Ecart des émissions en Kg CO2eq 976 1 953 2 929 3 905 4 881 - 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 0 1 2 3 4 5 6 Ecart des émissions en Kg de CO2eq Le rendement du moteur asynchrone  Le rendement des moteurs électriques et la réglementation Un peu d’histoire L’accord volontaire CEMEP (Comité Européen de Constructeur de Machines Electriques et d’électroniques de Puissance) avait défini trois classes d’efficacité pour les moteurs électriques: • EFF3 Moteur faible rendement • EFF2 Moteur à rendement amélioré • EFF1 Moteur haut rendement Ces classes sont remplacées par trois niveaux de rendement suivant la nouvelle norme IEC/EN 60034-30 : • IE1 Rendement standard • IE2 Haut rendement • IE3 Rendement premium 66
  • 34. 12/09/2014 34 Le rendement du moteur asynchrone  Schéma d’application de la loi sur les nouvelles normes européennes de rendement des moteurs électriques: Phase 1 : 16 juin 2011 Les moteurs mono-vitesse d’une puissance entre 0,75 et 375 kW doivent être de niveau de rendement IE2 minimum. Phase 2 : 1 Janvier 2015 Les moteurs d’une puissance comprise entre 7,5 et 375 kW doivent avoir un niveau de rendement IE3 minimum. Ou IE2 s’ils sont utilisés avec un variateur de fréquence. Phase 3 : 1 Janvier 2017 Les moteurs d’une puissance entre 0,75 et 375 kW doivent être de niveau de rendement IE3. Les moteurs IE2 peuvent encore être utilisés s’ils sont entrainés par un variateur de fréquence. 67 Le rendement du moteur asynchrone  Les valeurs du rendement IE1 IE2 et IE3 (CE 640/2009) 68
  • 35. 12/09/2014 35 Le rendement du moteur asynchrone  La réglementation sur rendement des moteurs électriques à travers le monde 69 Merci à vous Mohammed TAJAYOUTI Enseignant chercheur à l’EST de Salé 70
  • 36. 12/09/2014 36 Université d’été sur Efficacité Energétique dans l’Industrie Pour étudiants et jeunes chercheurs Université Sultan Moulay Slimane – Beni Mellal 8 – 12 Septembre 2014 – Variateurs de vitesses des moteurs électriques Mohammed TAJAYOUTI Enseignant chercheur à l’EST de Salé 71 Plan  Raisons de la variation de vitesse  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones  Principe de réglage de la fréquence  Bénéfices du variateur de fréquence  Inconvénients du variateur de fréquence  Etude de cas : pompage 72
  • 37. 12/09/2014 37 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Raison de la variation de vitesse Plusieurs variable de process dans l’industrie nécessitent des variations de vitesse  Débit,  pression,  température,  Vitesse de rotation  Etc. et plusieurs machines sont utilisées :  Les pompes  Les ventilateurs  Les compresseurs  Les convoyeurs  etc. 73 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Raison de la variation de vitesse -suite- La variation de la vitesse des machines peut s’accompagner d’une économie substantielle de l’énergie tout en gardant le même degré de confort et de souplesse dans le processus industriel.  Les différentes technologies pour varier la vitesse - Mécanique - Hydraulique - Variateur pour moteur à courant continu - Convertisseur de fréquence pour moteur asynchrone -Le moteur asynchrone couplé avec un variateur de fréquence est de loin le plus intéressant pour la variation de la vitesses. 74
  • 38. 12/09/2014 38 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones L’expression du couple électromagnétique et du courant satorique =3 ²  (  )² I = ² ( )² LR : Inductance de fuite au rotor RR : Résistance du rotor (ces deux grandeurs sont ramenées au stator) m0 : rapport de transformation V1 : tension primaire ; I1 : courant primaire f : fréquence du réseau (50 Hz) ; ωs= 2 π f ; P: nombre de paires de pôles ; Ωs= ωs/p vitesse de synchronisme 75 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones 76 Cemax Cedémarage Isdémarage
  • 39. 12/09/2014 39 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones -le point de fonctionnement du moteur- C’est l’intersection entre la courbe du couple résistant qui dépend de la charge et du couple moteur. On distingue les 4 profiles types du couple résistant : 77 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones -le point de fonctionnement du moteur- Le point de fonctionnement C=30 N.m et W=1420 tr/mn 78
  • 40. 12/09/2014 40 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la vitesse en fonction de la charge- Cr1=30 N.m et W 1=1425 tr/mn Cr2=15 N.m et W1=1460 tr/mn une diminution de 50% du couple fait varier la vitesse de 2,5% seulement. 79 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la vitesse en fonction de la tension- sous une tension de V1 (la courbe de Ce1), on a W1=1425 tr/mn Sous une tension de 10% plus grande Pour (la courbe de Ce2), on a W2=1440 tr/mn une augmentation de 10% de la tension ne fait varier la vitesse que de de 1,1%. 80
  • 41. 12/09/2014 41 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la vitesse en fonction de la Résistance rotorique- 81 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la vitesse en fonction de la Résistance rotorique- Il s’agira donc des moteurs à rotor bobiné donc accessible; On rappelle que : =3 ²  (  )² ; on monte que : =3 ² ² et que le glissement correspondant au couple maximal est gcmax=  Cemax ne dépend pas de RR et gcmax est proportionnel à RR 82
  • 42. 12/09/2014 42 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones – Evolution de la vitesse en fonction de la Résistance rotorique- W1=1425 tr/mn , W2=1370 tr/mn et W3=1290 tr/mn Inconvénient : pertes dans les résistances du rotor 83 gmax1=0,25gmax2=0,42gmax3=0,66 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil - action sur la fréquence- On rappelle encore les expression du couple du couple maximal et du glissement correspondant : =3  (  )² ; =3 ² et gcmax=  Or  =2πf ; il vient donc que : =3 2πf ( 2πf)² ; =3 (2πf)² et gcmax= (2πf) On obtient les caractéristiques suivantes. 84
  • 43. 12/09/2014 43 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil - action sur la fréquence- W1(66,7 Hz)=1815 tr/mn ; W2(50 Hz)=1425 tr/mn , W3(33,3 Hz)=965 tr/mn Cemax est Inversement proportionnel à f ² gcmax Inversement proportionnel à f 85 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil - action sur la fréquence- Pour que la machine garde ses performances magnétiques, on cherche un fonctionnement à flux constant ; or le flux est proportionnel au rapport de la tension par la fréquence. L’évolution de la commande électronique a permis d’avoir ce réglage. 86
  • 44. 12/09/2014 44 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil – combinaison redresseur onduleur autonome- Pour que la machine garde ses performances magnétiques, on cherche un fonctionnement à flux constant ; or le flux est proportionnel au rapport de la tension par la fréquence. Plusieurs commandes électroniques permettent d’avoir ce fonctionnement. combinaison redresseur onduleur autonome Les courants générés ne sont pas de forme sinusoïdale ce qui entraîne des pertes supplémentaires dans le fer. Conséquence : déclassement de la machine. 87 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Réglage de la vitesse des moteurs asynchrones à cage d’écureuil – variateur de fréquence MLI- Le variateur de fréquence Variation de fréquence avec Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI) permet d’obtenir des formes d’onde plus proches de la sinusoïdes; d’où les avantages : - Pertes plus faibles - Rotation harmonieuse du moteur - Déclassement inférieur à 5% 88
  • 45. 12/09/2014 45 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etude de cas : pompage Les systèmes de pompages pompes sont omniprésents dans divers secteurs industriels; on estime à plus de 40% leur quota part dans la consommation énergétique. La performance d’une pompe peut être illustrée directement sur sa courbe caractéristique. Les courbes caractéristiques indiquent la hauteur manométrique totale fournie par la pompe, sa puissance et son efficacité à partir du débit nul jusqu'à la capacité maximale. 89 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etude de cas : pompage – courbe caractéristique de la pompe centrifuge 90
  • 46. 12/09/2014 46 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etude de cas : pompage – courbe caractéristique de la pompe centrifuge 91 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etude de cas : pompage – courbe caractéristique de la pompe centrifuge 92
  • 47. 12/09/2014 47 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etude de cas : pompage – courbe du réseau Il est possible d'établir la courbe du réseau en déterminant la hauteur manométrique totale pour une gamme de débits. La hauteur statique du système est définie par la hauteur manométrique totale, là où le débit est nul. À mesure que le débit s'accroît, une hauteur supplémentaire est requise afin de surmonter la résistance du système à l'écoulement. Cette résistance est généralement proportionnelle au carré du débit. Cette résistance exprime les pertes linéaires proportionnelles à la longueur de la conduite (L) et aux pertes singulières. 93 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etude de cas : pompage – courbe du réseau 94
  • 48. 12/09/2014 48 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etude de cas : pompage – courbe du réseau 95 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etude de cas : pompage – le point de fonctionnement 96
  • 49. 12/09/2014 49 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etude de cas : pompage -la puissance mise en jeu La puissance demandée par la pompe nécessaire au déplacement du liquide et à vaincre les différents frottements au niveau de la roue de la pompe est : P= (rg Q H)/h P : la puissance demandée par la pompe [Watt] r :la masse volumique du fluide à transporter [Kg/m3] g : l’accélération de la pesanteur [m/s²] Q : le débit [m3/s] H : la hauteur manométrique totale [m] 97 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etudes de cas - pompage – le caractéristiques de la pompe à plusieurs vitesses Quand la vitesse passe de W1 a W3 le point de fonctionnement passe de A à C 98
  • 50. 12/09/2014 50 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etudes de cas - pompage – l’avantage de la variation de vitesse pour les pompes. La pompe centrifuge est une turbo pompe caractérisée par les équations suivantes : H =k1 Q² et P=k2 H Q P : la puissance demandée par la pompe [Watt] Q : le débit [m3/s] H : la hauteur manométrique [m] K1 et k2 des constantes Si le débit passe de Q1 à Q2 la puissance passe de P1 à P2 P2= P1 (Q2/Q1)3 Si la vitesse (et par suite le débit) est divisée par 2, la puissance est divisée par 8. 99 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etudes de cas - pompage – l’avantage de la variation de vitesse pour les pompes. Considérons un circuit hydraulique alimenté par une pompe. Celle-ci est entraînée par un moteur tournant à une vitesse W1. La puissance appelée par la pompe est représentée par la surface hachurée du rectangle. 100
  • 51. 12/09/2014 51 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etudes de cas - pompage – l’avantage de la variation de vitesse pour les pompes. On voudrait diminuer le débit de Qo a Q1. L’opération la plus immédiate et la plus simple consiste à fermer partiellement une vanne dans le circuit. La fermeture Partielle de la vanne a pour effet d’augmenter les pertes de charge du circuit de Ho à H1. La puissance appelée par la pompe est représentée par la surface hachurée du rectangle. 101 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etudes de cas - pompage – l’avantage de la variation de vitesse pour les pompes. L’autre option consiste à faire varier la vitesse du moteur entrainant la pompe à l’aide d’un variateur de vitesse. (de W1 à W3). La pompe va passer d’une courbe caractéristique à une autre. La puissance développée par la pompe (et donc fournie par le moteur), est plus faible. 102
  • 52. 12/09/2014 52 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etudes de cas - pompage – Exemple pratique un moteur asynchrone d’une puissance de 150 kW entraine une pompe centrifuge (14m et 1135 m3/h) dont le profil des charges est comme suit : 103 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etudes de cas - pompage – Exemple pratique Dans une première partie on détermine l’énergie annuelle consommée, le moteur tournant à une vitesse constante (la variation du débit étant assurée par une vanne. 104 Point de fonctionnement Q1 Q2 Q3 Q4 Qn débit m3 /h 275 568 795 1 022 1 135 Hauteur statique m 12,00 12,00 12,00 12,00 14,00 Petes de charges m 0,60 2,50 4,90 6,70 10,10 Pertes de charges de la vanne m 21,30 18,30 14,30 9,10 1,70 Hauteur manomètrique totale m 33,90 32,80 31,20 27,80 25,80 Rendement de la pompe % 40 65 77 82 83 Puissance appelée par la pompe kW 64 105 118 127 129 Charge du moteur (Pn=150kW) % 42 70 78 84 86 Rendement du moteur % 88 91 91 91 92 Puissance absorbée par le moteur 72 115 129 139 140 Heures de fonctionnement kW 700 2 000 2 000 200 100 Consommation de l'énergie kWh 50 519 230 104 258 611 27 816 14 008 Consommation totale kWh 581 059
  • 53. 12/09/2014 53 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etudes de cas - pompage – Exemple pratique On se décide d’installer un variateur de vitesse pour varier le débit, et on recalcule la consommation énergétique. 105 Point de fonctionnement Q1 Q2 Q3 Q4 Qn débit m 3 /h 275 568 795 1 022 1 135 Hauteur statique m 12,00 12,00 12,00 12,00 14,00 Petes de charges m 0,60 2,50 4,90 6,70 10,10 Hauteur manomètrique totale m 12,60 14,50 16,90 18,70 24,10 Rendement de la pompe % 40 62 75 77 77 Puissance appelée par la pompe kW 24 49 65 91 130 Charge du moteur (Pn=150kW) % 16 32 44 60 87 Rendement du moteur % 37 67 80 89 92 Puissance absorbée par le moteur kW 64 72 82 102 141 Vitesse de rotation tr/mn 580 625 710 790 875 Rapport de vitesse % 58 63 71 79 88 Rendement du variateur de vitesse% 83,2 84,7 86,9 89 91,2 Puissance absorbée kW 77 86 94 114 155 Heures de fonctionnement kW 700 2 000 2 000 200 100 Consommation de l'énergie kWh 53 676 171 011 188 252 22 892 15 466 Consommation totale kWh 451 297 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  Etudes de cas - pompage – Exemple pratique Comparons à présents les 2 scenarii : La consommation annuelle à vitesse constante : 581 000 kWh Soit un coût annuel de l’énergie électrique de : 464 000 ,00MAD (0,80MAD/kWh) La consommation annuelle avec variateur de vitesse : 451 000 kWh Soit un coût annuel de l’énergie électrique de : 361 000 ,00MAD Soit une économie annuelle de l’ordre de 100 000,00 MAD La deuxième solution impliquerait un coût d’investissement lé à l’acquisition et a l’installation d’un variateur de vitesse pour moteur de 150 kW Ce coût est de l’ordre de 200 000,00 MAD Le temps de retour de cet investissement est d ’environ deux années On note aussi que l’empreinte carbone est diminuée de 75 000 kg 106
  • 54. 12/09/2014 54 Variateurs de vitesses des moteurs électriques  En guise de conclusion On a passé en revu deux manières améliorer l’efficacité énergétique des moteurs électriques. 1/ minimiser les pertes en dimensionnant correctement son moteur et en adoptant des moteurs à haut rendement : IE2, IE3 voire IE4. on arrive facilement à une amélioration de 2% à 5% du rendement et un temps de retour sur investissement de l’ordre d ’un an. 2/ Optimiser la variation du vitesse électronique du moteur, surtout lorsqu’il est régulièrement amené à fonctionner en charge partielle ; Le moteur asynchrone couplé à un variateur de fréquence est de loin le type de moteur le plus utilisé pour les applications où il est nécessaire de contrôler la vitesse d'une charge. Les économies potentielles sont intéressantes en tertiaire ou la force motrice représente 30% de la puissance consommée et surtout en milieu industriel cette proportion passe à 70%. La généralisation de l’utilisation des filtres va atténuer l’effet des harmoniques dans le réseau électrique. 107 Merci à vous Mohammed TAJAYOUTI Enseignant chercheur à l’EST de Salé 108