Installation Electrique 2 Exam

Ce document est un examen d'Installation Electrique 2 destiné à des étudiants de première année de Licence en Génie Electrique. Il évalue les connaissances théoriques et pratiques sur les moteurs asynchrones, leurs modes de démarrage, de freinage, ainsi que la variation de vitesse à l'aide de variateurs.

Question de cours

Cette section demande de répondre à cinq questions théoriques sur les moteurs asynchrones.

1. Citez 3 types de démarrage d'un moteur asynchrone.

Les trois types de démarrage d'un moteur asynchrone sont :

• Démarrage direct
• Démarrage étoile-triangle
• Démarrage par autotransformateur

Réponse : démarrage direct, démarrage étoile-triangle, démarrage par autotransformateur.

2. Citez 3 types de freinage d'un moteur asynchrone.

Les trois types de freinage d'un moteur asynchrone sont :

• Freinage à manque de courant
• Freinage à appel de courant
• Freinage par injection de courant continu

Réponse : freinage à manque de courant, freinage à appel de courant, freinage par injection de courant continu.

3. Expliquez le principe de la variation de vitesse d'un moteur asynchrone.

La variation de vitesse d'un moteur asynchrone s'obtient en modifiant la fréquence d'alimentation du moteur. En effet, la vitesse de synchronisme ns dépend directement de la fréquence f et du nombre de paires de pôles p du moteur. En variant f, on fait varier ns, ce qui permet d'ajuster la vitesse de rotation du moteur.

Réponse : la vitesse du moteur est ajustée en faisant varier la fréquence d'alimentation.

4. Expliquez le rôle de l'onduleur lors de la variation de fréquence d'un moteur asynchrone.

L'onduleur permet de fournir une tension alternative dont la fréquence est variable. Il convertit la tension continue en une tension alternative à fréquence variable, ce qui permet de modifier la fréquence d'alimentation du moteur asynchrone et ainsi de contrôler sa vitesse.

Réponse : l'onduleur génère une tension alternative à fréquence variable pour contrôler la vitesse du moteur.

5. Citez les 4 régimes de fonctionnement de l'ensemble moteur-variateur.

Les quatre régimes de fonctionnement sont :

• Régime moteur normal
• Régime de freinage
• Régime de démarrage
• Régime de fonctionnement à vitesse variable

Réponse : moteur normal, freinage, démarrage, fonctionnement à vitesse variable.

Exercice 01 : Démarrage étoile-triangle (5 pts)

Il s'agit de comprendre et réaliser le démarrage étoile-triangle d'un moteur asynchrone triphasé 400/690V alimenté par un réseau 230/400V, avec commande dans les deux sens de rotation.

1. Comment doivent être couplés les enroulements de ce moteur ? Justifier votre réponse.

Le moteur est repéré 400/690V, ce qui signifie que ses enroulements peuvent être couplés en étoile pour une tension de 690V et en triangle pour une tension de 400V. Or, le réseau d'alimentation est 230/400V. Pour démarrer en étoile, on utilise la tension la plus élevée (690V) pour réduire le courant de démarrage, puis on bascule en triangle pour le fonctionnement normal sous 400V.

Réponse : les enroulements doivent être couplés en étoile au démarrage (690V) pour réduire le courant, puis en triangle (400V) pour le fonctionnement normal, car le réseau est 230/400V et le moteur 400/690V.

2. Donner le schéma du couplage de la plaque signalétique.

Le schéma de la plaque signalétique montre deux possibilités :

• Couplage étoile : les trois enroulements sont connectés ensemble à un point commun (neutre), chaque enroulement supportant 690V.
• Couplage triangle : les enroulements sont connectés bout à bout formant un triangle, chaque enroulement supportant 400V.

Réponse : schéma montrant les deux couplages étoile (point commun) et triangle (boucle fermée).

3. Donner le principe du démarrage étoile-triangle pour un moteur asynchrone triphasé.

Le démarrage étoile-triangle consiste à connecter d'abord les enroulements du moteur en étoile pour appliquer une tension réduite (690V), ce qui diminue le courant de démarrage et le couple. Après un temps déterminé, on commute le couplage en triangle, ce qui applique la tension nominale (400V) aux enroulements pour un fonctionnement normal.

Réponse : démarrage en étoile pour réduire le courant, puis commutation en triangle pour fonctionnement normal.

4. Réaliser le circuit de commande de ce type de démarrage.

Le circuit de commande utilise :

• Deux boutons poussoirs S2 (marche sens 1) et S3 (marche sens 2) qui activent respectivement les contacteurs KM1 et KM2 en auto-alimentation.
• Un bouton poussoir S1 pour l'arrêt.
• Un contacteur KM3 pour le couplage étoile.
• Un contacteur KM4 pour le couplage triangle.
• Un relais temporisé KA1 qui assure la temporisation entre le couplage étoile et triangle.

Le fonctionnement est le suivant : en appuyant sur S2 ou S3, KM1 ou KM2 s'enclenche, puis KM3 est activé pour le démarrage en étoile. Après temporisation par KA1, KM3 se désactive et KM4 s'enclenche pour le couplage triangle.

Réponse : circuit de commande avec boutons S1, S2, S3, contacteurs KM1 à KM4, et relais temporisé KA1 pour gérer le démarrage étoile-triangle.

5. Réaliser le circuit de puissance de ce type de démarrage.

Le circuit de puissance comprend :

• Alimentation triphasée 230/400V.
• Contacteurs KM1 et KM2 pour la sélection du sens de rotation.
• Contacteur KM3 pour le couplage étoile.
• Contacteur KM4 pour le couplage triangle.
• Le moteur asynchrone triphasé 400/690V.

Le circuit est câblé de manière à ce que KM3 et KM4 ne puissent pas être enclenchés simultanément, évitant ainsi les courts-circuits. La temporisation KA1 commande la commutation entre KM3 et KM4.

Réponse : circuit de puissance avec contacteurs KM1 à KM4, temporisation KA1, et câblage adapté au démarrage étoile-triangle.

6. Donner une autre solution pour le circuit de commande.

Une autre solution consiste à utiliser un automate programmable ou un relais logique pour gérer la temporisation et la commutation entre les contacteurs, ce qui permet une meilleure flexibilité et sécurité dans la commande du démarrage étoile-triangle.

Réponse : utilisation d'un automate programmable ou relais logique pour la commande.

Exercice 02 : Freinage (7 pts)

Cette partie traite des trois types de freinage d'un moteur asynchrone : à manque de courant, à appel de courant, et par injection de courant continu.

I. Freinage à manque de courant

1. Donner le principe du freinage à manque de courant.

Le freinage à manque de courant consiste à interrompre l'alimentation du moteur, ce qui provoque une chute du courant dans les enroulements. Le moteur ralentit alors sous l'effet de son inertie et des forces de frottement, sans générer de couple moteur.

Réponse : arrêt de l'alimentation pour provoquer la décélération naturelle du moteur.

2. Réaliser le circuit de commande de ce type de freinage.

Le circuit de commande doit permettre d'interrompre l'alimentation du moteur via un contacteur ou un interrupteur, commandé par un bouton poussoir ou un relais de freinage.

Réponse : circuit de commande avec interrupteur ou contacteur pour couper l'alimentation.

3. Réaliser le circuit de puissance de ce type de freinage.

Le circuit de puissance inclut l'alimentation triphasée, le contacteur principal qui alimente le moteur, et un dispositif de coupure pour le freinage.

Réponse : circuit de puissance avec contacteur principal commandé pour couper l'alimentation.

II. Freinage à appel de courant

1. Donner le principe du freinage à appel de courant.

Le freinage à appel de courant consiste à appliquer une tension inverse ou un court-circuit aux enroulements du moteur, ce qui provoque un courant de freinage important qui ralentit rapidement le moteur.

Réponse : application d'une tension inverse ou court-circuit pour générer un courant de freinage.

2. Réaliser le circuit de commande de ce type de freinage.

Le circuit de commande doit inclure un dispositif pour inverser la connexion ou court-circuiter les enroulements, commandé par un relais ou un contacteur spécifique.

Réponse : circuit de commande avec relais/contacteur pour inversion ou court-circuit.

3. Réaliser le circuit de puissance de ce type de freinage.

Le circuit de puissance permet d'appliquer la tension inverse ou de court-circuiter les enroulements via des contacteurs dédiés.

Réponse : circuit de puissance avec contacteurs pour inversion ou court-circuit des enroulements.

III. Freinage par injection de courant continu

1. Donner le principe du freinage par injection de courant continu.

Ce freinage consiste à injecter un courant continu dans les enroulements statoriques du moteur asynchrone, ce qui crée un champ magnétique fixe qui génère un couple de freinage puissant et rapide.

Réponse : injection d'un courant continu dans le stator pour créer un couple de freinage.

2. Réaliser le circuit de commande de ce type de freinage.

Le circuit de commande doit permettre de commuter entre alimentation alternative normale et injection de courant continu, via des contacteurs et un redresseur.

Réponse : circuit de commande avec contacteurs et relais pour basculer vers injection continue.

3. Réaliser le circuit de puissance de ce type de freinage.

Le circuit de puissance comprend un redresseur pour fournir la tension continue, des contacteurs pour commuter entre courant alternatif et continu, et le moteur.

Réponse : circuit de puissance avec redresseur, contacteurs et moteur.

4. Donner les avantages et les inconvénients de ce type de freinage.

Avantages :

• Freinage rapide et puissant
• Contrôle précis du couple de freinage

Inconvénients :

• Complexité du circuit
• Coût élevé
• Risque de surchauffe du moteur

Réponse : freinage efficace mais complexe et coûteux avec risque de surchauffe.

5. Donner l'expression de la tension redressée.

La tension redressée Udc est donnée par :

Udc = (3√6 / π) × U

où U est la tension efficace de la source alternative.

Réponse : Udc = (3√6 / π) × U.

6. Donner l'expression du courant injecté lors du freinage en fonction du courant nominal In.

Le courant injecté Idc est proportionnel au courant nominal In du moteur :

Idc = k × In

où k est un coefficient dépendant des réglages du système de freinage.

Réponse : Idc = k × In, avec k coefficient de réglage.

Exercice 03 : Variateur de vitesse (5 pts)

Cette partie traite de la vitesse de synchronisme, du glissement, et du fonctionnement d'un moteur asynchrone alimenté par un variateur de vitesse.

I.1. Donner l'expression de la vitesse de synchronisme d'un moteur asynchrone en fonction de la fréquence et du nombre de paires de pôles.

La vitesse de synchronisme ns (en tours par seconde) est donnée par :

ns = f / p

où f est la fréquence en Hz et p le nombre de paires de pôles.

Réponse : ns = f / p.

I.2. Compléter le tableau suivant pour f = 50 Hz :

P (nombre de paires de pôles)	ns [tr/s]	ns [tr/min]
1	50 / 1 = 50	50 × 60 = 3000
2	50 / 2 = 25	25 × 60 = 1500
3	50 / 3 ≈ 16,67	16,67 × 60 ≈ 1000
4	50 / 4 = 12,5	12,5 × 60 = 750

Réponse : tableau complété comme ci-dessus.

I.3. Donner l'expression du glissement.

Le glissement s est défini par :

s = (ns - n) / ns

où n est la vitesse réelle du rotor.

Réponse : s = (ns - n) / ns.

II. Fonctionnement avec variateur de vitesse

Le moteur asynchrone est alimenté par un variateur qui permet de régler la fréquence en maintenant le rapport U/f constant. La commande est assurée par une boîte à boutons poussoirs : marche (S1) et arrêt (S2). Le circuit de commande est alimenté via un transformateur 400V/24V. Le moteur ne peut fonctionner que si le variateur est alimenté ; en cas de défaut du variateur, le moteur s'arrête.

Réponse : le variateur contrôle la fréquence et la tension pour maintenir U/f constant, assurant un fonctionnement stable et sécurisé.

Méthode

Ce type d'examen récompense une bonne maîtrise des principes fondamentaux des moteurs asynchrones, notamment les modes de démarrage et de freinage, ainsi que la compréhension des variateurs de vitesse. Il est essentiel de respecter les définitions et notations données dans le sujet, notamment pour les formules (vitesse de synchronisme, glissement, tension redressée). Les erreurs fréquentes concernent la confusion entre couplages étoile et triangle, l'oubli de la temporisation dans le démarrage étoile-triangle, ou une mauvaise interprétation des principes de freinage.

Les réponses doivent être claires, structurées, avec un raisonnement visible et les formules exactes. Les schémas, bien que non fournis ici, doivent respecter les conventions électriques et éviter les courts-circuits (notamment entre KM3 et KM4). Enfin, la rigueur dans le calcul des vitesses et la compréhension des effets des variateurs est cruciale.