Moteur électrique et variateur de vitesse

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
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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%)
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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
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 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.
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 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.)
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 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
 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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 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
 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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 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
 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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 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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 Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement repose sur la force de Laplace.
= I ^
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 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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 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.
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Le circuit induit au rotor. Il est formé de conducteurs logés dans des
encoches.
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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
 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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 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
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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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 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 CC à excitation indépendante -Bilan de puissance-
Le rendement de la machine ƞ = Pu/Pa
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 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.
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 Moteur CC à excitation série -Bilan de puissance-
Le rendement de la machine ƞ = Pu/Pa
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 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,
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Moteur synchrone
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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-
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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.
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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
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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
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Le rendement du moteur asynchrone
55
 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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= = =1 - =
57
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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 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
 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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 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
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%
 La consommation énergétique d’un moteur électrique
62

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 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
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
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
 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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 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 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
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 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
 Les valeurs du rendement IE1 IE2 et IE3 (CE 640/2009)
68

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 La réglementation sur rendement des moteurs électriques à travers le monde
69
Merci à vous
Mohammed TAJAYOUTI
70

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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
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

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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
 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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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
76
Cemax
Cedémarage
Isdémarage

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 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
 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

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 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
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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vitesse en fonction de la Résistance rotorique-
81
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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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
 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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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
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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 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
 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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 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
 Etude de cas : pompage – courbe caractéristique de la pompe
centrifuge
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centrifuge
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centrifuge
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 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
94

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 Etude de cas : pompage – le point de fonctionnement
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 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
 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

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 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
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

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51
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
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

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 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
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

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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
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

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 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
108

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