Cours des Moteurs Asynchrones

THÈME : LES MOTEURS ASYNCHRONES

Sommaire

 Introduction  Constitution  Principe de fonctionnement  plaque signalétique  Plaque à bornes  Branchement du moteur asynchrone triphasé  Bilan des puissances  Rendement  Caractéristiques d’un moteur asynchrone  Complément : caractéristiques T= f(n) de quelques charges  Problème de démarrage des moteurs asynchrones  Choix des composants d’un départ moteur  Indices de protections

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1. Introduction Rappel en électromagnétisme : 

tout conducteur soumis à une variation de champ produit une force électromotrice induite pouvant être à l’origine de courant, s’il existe un circuit électrique



tout conducteur parcouru par un courant produit un champ magnétique dont l’allure dans le temps lui est identique (aux phénomènes de saturation près).



Un conducteur traversé par un courant I et soumis à une induction magnétique B est le siège d’une force F qui tend à le mettre en mouvement : F=B I L

On appelle machines électriques les convertisseurs d’énergie électrique basés sur les lois de l’électromagnétisme. On distingue deux sortes de machines : 

les machines tournantes (moteur, génératrice, alternateur)



la machine statique (transformateur)

Dans les machines tournantes, on distingue : 

les moteurs : convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique.



les générateurs : convertissent l’énergie mécanique en énergie électrique

2. Constitution Dans une machine asynchrone triphasée, le stator constitue l’inducteur et ses bobinages sont alimentés par un système de tensions triphasées. Le rotor constitue l’induit et ses bobinages sont en courtcircuit.

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Seuls les enroulements du stator sont alimentés. Les courants rotoriques résultent d’une induction électromagnétique. C’est pour cette raison que la machine asynchrone est aussi appelée : machine à induction.

Le Stator : la partie fixe du moteur. Il comporte trois bobinages (ou enroulements), logé dans des encoches, qui peuvent être couplés en étoile Y ou en triangle ∆ selon le réseau d'alimentation. Il se compose principalement : 

de la carcasse,



des paliers,



des flasques de palier,



du ventilateur refroidissant le moteur,



le capot protégeant le ventilateur

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En pratique, pour diminuer le glissement et améliorer la rotation du rotor, et obtenir une fréquence de rotation différente, chaque bobinage peut être divisé en 2 parties égales et opposées

L'intérieur du stator comprend essentiellement : 

un noyau en fer feuilleté de manière à canaliser le flux magnétique,



les enroulements (ou bobinage en cuivre) des trois phases logés dans les encoches du noyau.

Le Rotor : Le rotor est constitué d’une pile de tôles formant un cylindre plein. Les tôles comportent à leur périphérie extérieure des encoches qui reçoivent les conducteurs. Ces conducteurs, qui constituent l’enroulement rotorique, sont en court-circuit.

2.1. Nature du rotor 

Le rotor à cage d’écureuil.



Le rotor bobiné.

 Le rotor à cage d’écureuil Les conducteurs sont de simples barres conductrices moulées sur la masse du rotor. Les deux bouts de chaque barre sont reliés à deux anneaux conducteurs. Note: Les conducteurs du rotor ne sont pas accessibles.

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Moteur asynchrone triphasé à cage d’écureuil

 Caractéristiques du moteur asynchrone à cage Le moteur asynchrone à cage est très répandu dans le domaine industriel, de par sa grande robustesse mécanique, son faible couple au démarrage, son faible coût et sa très bonne standardisation. La plage des puissances des machines asynchrones s'étend de la centaine de Watts à la dizaine de Mégawatts.

 Le rotor bobiné Le bobinage triphasé du rotor est similaire à celui du stator, et il est accessible. Les trois bouts accessibles du bobinage rotorique (rotor triphasé) sont court-circuités par une barre conductrice (rotor en court-circuit).

 Caractéristiques du moteur asynchrone à bague Ce sont des moteurs de grande puissance. 

Possèdent un grand couple de démarrage.



Un courant de démarrage réduit par rapport aux moteurs à rotors à cage.



Dans ce type de construction, il est possible d’insérer, via des bagues, des résistances extérieures afin de modifier le circuit du rotor

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Symbole

 Entrefer L’entrefer est l’espace entre le stator et le rotor.

3. Principe de fonctionnement Les bobinages statoriques, alimentés par des courants triphasés de pulsation w, créent un champ magnétique B tournant à la vitesse WS = W/p où p est le nombre de paire de pôles au stator. Ce champ (flux) tournant balaie le bobinage rotorique et y induit des forces électromotrices (f.è.m) d'après la loi de Lenz. Le bobinage rotorique étant en court-circuit, ces f.é.m y produisent des courants induits. C'est l'action du champ tournant B sur les courants induits qui crée le couple moteur. Ce dernier tend à réduire la cause qui a donné naissance aux courants, c'est à dire la rotation relative du champ tournant par rapport au rotor. Le rotor va donc avoir tendance à suivre ce champ. Le rotor tourne forcément à une vitesse W < WS (d'où le terme asynchrone). Pour changer le signe de WS (donc le sens de rotation), il suffit de permuter deux fils de phase.

3.1. Fréquences-Vitesses Fréquence (Vitesse) de synchronisme est la fréquence (vitesse du champ tournant). La vitesse à vide des moteurs asynchrones n’est pas influencée par les variations de tension, mais elle est proportionnelle à la fréquence et inversement proportionnelle au nombre de pôles par phase du stator (p) :

Avec

nS : vitesse de synchronisme (tr.s-1) f : fréquence du courant d'alimentation (Hz) p : nombre de paires de pôles (Hz)

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Fréquence (Vitesse) de rotation = fréquence du rotor

Nr = NS (1- g) Avec

NS : vitesse de synchronisme (tr.s-1 ou tr.min-1) Nr : vitesse de rotation nominale dans la même unité que N g : glissement sans unité

3.2. Le glissement Le rotor tourne à la vitesse Nr (ou r) plus petite que la vitesse du champ tournant statorique NS (ou S ) , on dit alors que le rotor glisse par rapport au champ du stator. L’expression du glissement est :

Ce glissement g va dépendre de la charge Avec :

NS : vitesse de rotation de synchronisme du champ tournant ( tr. s-1 ) Nr : vitesse de rotation du rotor ( tr. s-1 )  s : 2 π n s ( rad .s-1 ) et

 r : 2 π n ( rad .s-1 )

3.3. Vitesse du glissement et fréquence des courants rotoriques La vitesse du glissement est donnée par:

Ng = Ns – Nr = g Ns La fréquence des courants rotoriques est différente de celle des courants statoriques. 

A rotor bloqué (Nr = 0 et g = 1),



A vide g = 1٪  fr = g fs = 50٪ =0 ,5



A la vitesse synchrone (Nr = Ns et g = 0), fr = 0



n’importe quelle vitesse telle que 0 < Nr < Ns, nous avons:

fr = fs.

fr = g fs Une machine asynchrone est donc un transformateur de fréquence. En fonctionnement moteur, la vitesse électrique du rotor est inférieure à celle du champ tournant statorique. En fonctionnement générateur, la vitesse électrique du rotor est supérieure à celle du champ tournant statorique.

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Exercice d’application : Soit un réseau triphasé (f = 50 Hz) alimentant un moteur à trois paires de pôles (p = 3), calculer la vitesse de synchronisme ns en tr / mn, le glissement nominale en charge gN, le glissement à vide gvide (pas de charge) et le glissement au démarrage Réponse : nS = 50/3 = 16,7 tr/s = 1000 tr/min A la charge nominale, ce moteur tourne à 950 tr/min : gN = (1000 - 950)/1000 = 0,05 = 5 % A vide (pas de charge), n= 1000 tr/min : gvide = 0 % Au démarrage (n = 0) : g = 1 (100 %) Remarques En fonctionnement normal, le glissement n'excède pas quelques pour cent. A vide, un moteur asynchrone tourne pratiquement à la vitesse de synchronisme.

4. Plaque signalétique

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Fixée sur la carcasse, elle représente la fiche d’identité du MAS Service : S1 : Service continu S2 : Services intermittents S3 : Services intermittents à démarrages S4 : Services intermittents à démarrages et freinage Température ambiante : Température ambiante maxi d’utilisation au delà de 40 ° C, la puissance du moteur subit un déclassement Indice de protection : C’est un indicateur contre les effets extérieurs

Exemple d’application : Soit la plaque signalétique d’un moteur asynchrone triphasé :

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Donner la signification des grandeurs indiquée sur la plaque signalétique. Réponse : UN = 400 V : tension d'alimentation nominale entre phases IN = 3,3 A : courant de ligne consommé à charge nom. Pu = 1,5 kW : puissance utile nom. (Puissance mécanique fournie à la charge) nN = 1430 tr/min : vitesse de rotation nom. cos N = 0,85 : facteur de puissance nom.

 Fonctionnement à vide Les caractéristiques à vide ne figurent pas sur la plaque signalétique. Pour le moteur précédent, on relevé durant l’essai à vide les caractéristiques suivantes : I vide = 1,3 A Pabsorbée = 190 W n vide = 1500 tr/min Déterminer le nombre de pôles P et le facteur de puissance à vide (cos  vide) Réponse : p = f / n s = 50 / (1500/ 60) = 2 (2 paires de pôles)

Conclusion : 

A vide g = 0 et n0 = ns



Le facteur de puissance à vide est très faible ( 0,2) et le courant absorbée reste fort (P est petit et Q est grand). On parle alors de courant réactif ou magnétisant (ils servent à créer le champ magnétique).

 Fonctionnement en charge

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Calculer le glissement gn et rendement Réponse :

5. 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.

6. Branchement du moteur asynchrone triphasé

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Le stator d'un moteur asynchrone triphasé comporte trois enroulements identiques qui sont couplés : 

Soit en étoile (Y)



Soit en triangle (∆)

Le choix du couplage dépend : 

Des tensions du réseau.



Des indications portées sur la plaque signalétique qui donne les conditions normales de fonctionnement (dites aussi nominales).

L'utilisateur choisit le couplage qui convient par l'intermédiaire de la plaque à borne du moteur, qui comporte six bornes auxquelles sont reliées les entrées et les sorties des trois enroulements Normalisation des bornes : Entrées : U1, V1 et W1.

Sorties : U2, V2 et W2.

6.1. Détermination du couplage 

si la plus petite tension de la plaque signalétique du moteur correspond à la tension entre phase du réseau on choisit le couplage triangle ∆.



si la plus grande tension de la plaque signalétique du moteur correspond à la tension entre phase du réseau on choisit le couplage étoile Y.

 Réseau d'alimentation 220v 380 v 220 v 380 v Tension Tension simple composée

Plaque signalétique 220 v 380 v 660 v 380 v Tension d'un Tension de deux enroulement enroulements

Couplage adéquat ETOILE TRIANGLE

ATTENTION : La plus petite des tensions est celle qui doit toujours être appliquée à chaque enroulement pour obtenir un régime nominal

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Exemple

7. Bilan des puissances

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7.1. Puissance absorbée Le moteur reçoit la puissance électrique Pa = 3 UI cos quelque-soit le couplage. Cette puissance est transmise au stator de la machine qui est le siège de deux types de pertes.

Pa = 3 U⋅I ⋅cos U : tension entre deux bornes du moteur I : courant en ligne

7.2. Pertes par effet Joule au stator : PJS Les deux types de pertes au stator sont : Les pertes par effet Joule PJS : Si on appelle r la résistance d'un enroulement et I l'intensité en ligne 

si le moteur est couplé en étoile :



si le moteur est couplé en triangle :

p JS = 3 r I2 PJS = r I2

Si on appelle R, la résistance mesurée entre deux bornes du stator, quelque soit le couplage du stator, les pertes par effet Joules sont :

3/2 RI2

7.3. Pertes fer au stator : PFS Ces pertes ne dépendes que de la tension U et de la fréquence f , elles sont considérées comme constantes si le moteur est branché sur le réseau triphasé.

7.4. Puissance transmise au rotor : Ptr La puissance transmise au rotor est :

Ptr = PA- pjs – pfs C’est la puissance que reçoit le rotor

7.5. Moment du couple électromagnétique : Tem Les forces qui s’exercent sur les conducteurs du rotor tournent à la vitesse s : elles glissent sur le rotor qui, lui, tourne qu’à la vitesse r = . L’action de l’ensemble des forces électromagnétiques se réduit à un couple électromagnétique résultant de moment Tem

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La puissance Ptr crée le couple électromagnétique Tem

7.6. Puissance mécanique totale : PM le couple électromagnétique de moment Tem entraine le rotor à la vitesse r = . il lui communique donc la puissance mécanique totale PM

Cette puissance comprend la puissance utile et les pertes mécaniques

7.7. Pertes par effet joule et pertes dans le fer au rotor : pjr et pfr :

Ces pertes représentent la différence entre Ptr et PM .On calcule le bilan des puissances. Donc :

Pjr + Pfr = Ptr – PM = Ptr – Ptr (1 – g) = g Ptr Les pertes fer au rotor sont souvent négligeables :

Pfer ≈ 0

pjr = g Ptr

7.8. Pertes mécaniques : pmec Le rotor est fixé à l’arbre du moteur par l’intermédiaire de roulements, il ya donc des pertes mécanique Pmec.

pmec = PM - Pu La vitesse de rotation variant peu en marche normale, ces pertes sont pratiquement constantes.

7.9. Pertes « collectives » : pc Ces pertes ne dépendent que de U, f et n .comme ces grandeurs sont généralement constantes, les pertes fer au stator et les pertes mécaniques le sont aussi.

pc = pmec + pfs

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on définit le couple de pertes

Le couple de perte est une grandeur constante quelle que soit la vitesse et la charge de la machine

8. Rendement

8.1. Bilan de puissance à vide Le bilan total, quelque soit la situation, est :

A vide : Tu = 0 

Pu = 0

Bilan à vide : Pa0 = pjs0 + pc En simplifiant : Pa0 = pc

(les pertes joules à vide sont négligeables)

Conclusion : Un essai à vide permettra de déterminer les pertes collectives

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Exercice d'application : Un moteur asynchrone triphasé héxapolaire est alimenté par un réseau triphasé 230 V / 400 V ; 50 Hz. La résistance R mesurée entre deux bornes du stator est R = 0,8 . En fonctionnement nominal, le glissement g = 6%, la puissance absorbée PA par la méthode des 2 wattmètres est P1 = 8700W et P2 = 3600 W. Les pertes collectives PC = PFS + PM = 1100 W et PFS = PM. 

Déterminer la puissance active PA.



Déterminer la puissance réactive QA.



Calculer la valeur de l'intensité I lors du fonctionnement nominal et le facteur de puissance fp.



En déduire les pertes par effet Joule au stator PJ



Déterminer la vitesse de rotation du rotor.



Déterminer les pertes par effet Joule dans le rotor.



En déduire la puissance utile PU de ce moteur ainsi que le couple utile TU.

Ce moteur entraîne une charge mécanique dont sa caractéristique TR (n) peut-être assimilée à une droite passant par les points (960 tr/min ; 60 N.m) et (1000 tr/min ; 40 N.m 

Déterminer les coordonnées du point de fonctionnement

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Réponse :

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9. Caractéristiques d’un moteur asynchrone 

Le courant de démarrage est de l'ordre de 6 à 7 fois le courant nominal. Il est impératif de prévoir des systèmes de limitation de courant au démarrage (étoile/triangle, variateur de fréquence, ...).



Le couple de démarrage est important (de l'ordre de 2,5 fois le couple nominal).



Le couple est maximum pour un glissement de l'ordre de 30 %.

Caractéristiques d'un moteur asynchrone classique

9.1. Point de fonctionnement du moteur en charge C’est le point d’intersection des caractéristiques T = f(n) du moteur de la charge Tu : couple utile du moteur Tr : couple résistant La courbe du couple résistant dépend de la charge ( voir courbe res 1)

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10. Complément : caractéristiques T= f(n) de quelques charges

Courbe res 1

10.1. Pilotage de la vitesse de rotation Le pilotage de la vitesse de rotation du moteur asynchrone est essentiel pour beaucoup d'applications. La relation suivante permet de cerner quels sont les paramètres qui peuvent influencer la vitesse de rotation. On a :

g = (ns - n) / ns Avec,

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s = glissement [%]. n0 = vitesse du champ tournant [tr/min]. n = la vitesse de rotation de l'arbre du moteur [tr/min]. Ou :

n = ((1 - g) x f) / p Avec, f = fréquence du réseau [Hz]. p = le nombre de pair de pôle.

On peut donc piloter la vitesse de rotation en intervenant sur : 

le nombre de paire de pôle (moteur à deux vitesses par exemple),



le glissement du moteur (moteur à bague),



la fréquence du réseau.

11. Problème de démarrage des moteurs asynchrones Le branchement du moteur au réseau de distribution peut se réaliser : 

Sans perturbation pour les autres récepteurs et sans détérioration du moteur : l'équipement de démarrage est dit à démarrage direct.



Avec perturbations à la fois pour le réseau et les autres récepteurs ou avec détérioration du moteur : l'équipement de force motrice doit assurer le démarrage suivant un procédé qui élimine ou qui réduit dans leurs limites réglementaires ces perturbations et qui évite toute détérioration.

D'une façon générale et quel que soit le type de moteur, les différents procédés de démarrage ont pour objectif la réduction de l'intensité de démarrage.

11.1. Démarrage direct Principe : Dans ce procédé le stator du moteur est branché directement sur le réseau d'alimentation triphasé. Le moteur démarre sur ses caractéristiques naturelles. Le démarrage s'effectue en un seul temps. Caractéristique technique : Seuls les moteurs asynchrones triphasés avec rotor en court-circuit ou rotor à cage peuvent être démarrés en direct. Au démarrage du moteur la pointe d'intensité est de l'ordre de 4 à 8 fois l'intensité nominale.

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Le couple au décollage est important, environ 1,5 fois le couple nominal.

 Démarrage direct semi-automatique un sens de marche On veut démarrer un moteur asynchrone triphasé dans un sens de rotation par un bouton poussoir S1 et l'arrêter par l'appui sur un bouton poussoir S0. Schéma fonctionnel :

Circuit de puissance :

L1, L2, L3 : alimentation

triphasée

Q : fusible sectionneur KM1 : contacteur principal 1 F : relais thermique M : moteur triphasé

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Circuit de commande

F : contact auxiliaire du relais thermique S0 : bouton poussoir arrêt S1: bouton poussoir marche KM1 : bobine du contacteur KM11 : contact auxiliaire du contacteur

Le démarrage direct ne peut convenir que dans les cas où : 

la puissance du moteur est faible par rapport à la puissance du réseau, de manière à limiter les perturbations dues à l'appel de courant,



la machine entraînée ne nécessite pas une mise en vitesse progressive où comporte un dispositif amortisseur qui réduit le choc du démarrage,



le couple de démarrage peut être élevé sans incidence sur le fonctionnement de la machine ou de la charge entraînée.

 Démarrage direct semi-automatique deux sens de marche On veut démarrer un moteur asynchrone triphasé dans deux sens de rotation, par un bouton poussoir S1, on commande le sens 1 et on démarre le sens 2 par un bouton poussoir S 2 et l'arrêter par l'appui sur un bouton poussoir S0. Schéma fonctionnel :

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Circuit de puissance :

KM1 : contacteur sens 1 KM2 : contacteur sens 2

Circuit de commande :

 Démarrage direct semi-automatique deux sens de marche avec butées de fin de course On veut démarrer un moteur asynchrone triphasé dans deux sens de rotation. Chaque sens est arrêté par une butée de fin de course, respectivement S3 pour le sens1 et la butée S4 pour le sens 2.

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Circuit de commande :

S3 : butée de fin de course pour le sens 1 S4 : butée de fin de course pour le sens 2

 Démarrage direct semi-automatique deux sens de marche avec butées de fin de course et inversion du sens de rotation Dans cet exemple, lorsque une des deux butées de fin de course est actionnées, le sens de rotation est inversé automatiquement. Circuit de commande Les butées de fin de course possèdent deux contacts : un ouvert au repos l'autre fermé au repos :

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11.2. Démarrage étoile-triangle Le démarrage s’effectue en 2 temps : -

mise sous tension réduite / 3 : couplage étoile(Y)

-

Suppression du couplage étoile et mise en couplage triangle ()

Étoile: Tension : V = U/√3 Courant : Iy = V/Z = U/√3.Z = Jy Triangle : Tension : U = √3.V Courant : J∆ = √3.Jy = √3.Iy I∆ = √3.J∆ = 3. Iy D'où, Jy/J∆ = 1/√3

et

Iy/I∆ = 1/3

Le couple étant proportionnel au carré du courant, donc: Ty/T∆ = ( Jy/J∆ )2 = 1/3

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Circuit de puissance :

Avantages : - Réduction du courant de démarrage - Relativement bon marché Inconvénients : - Couple très réduit - Coupure d’alimentation lors du passage étoile-triangle - Temps de démarrage + élevé Circuit de commande

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11.3. Démarrage par résistances Rotoriques

Ce procédé est utilisé pour les moteurs à rotor bobiné avec sortie de l’enroulement rotorique sur trois bagues. On limite le courant au stator en augmentant la résistance du rotor. Des résistances montées en série dans le circuit du rotor sont éliminés au fur et à mesure que la vitesse augmente. Avantage : Un bon couple de démarrage avec un appel de courant réduit Inconvénients : Moteur onéreux et moins robuste

12. Choix des composants d’un départ moteur Voici les solutions de départ moteur les plus courantes. Solution 4 produits : 

Sectionneur porte-fusibles.



Fusibles type aM.



Contacteur.



Relais thermique.

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Solution 3 produits : 

Disjoncteur moteur magnétique.



Contacteur.



Relais thermique

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Solution 2 produits : 

Disjoncteur moteur magnéto-thermique.



Contacteur.

Solution 1 produit : 

Contacteur disjoncteur intégral

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Exemple de choix de composants pour une solution 4 produits : Pour effectuer le choix des composants, il faut connaître l’intensité nominale et la tension d’alimentation du moteur, ou la puissance. Si on ne connaît pas les caractéristiques du moteur, il faut regarder sur la plaque signalétique. Prenons l’exemple d’un moteur asynchrone triphasé d’une puissance de 4 KW sous une tension de 400V. Etape n°1 : déterminer l’intensité du moteur Lecture du tableau des intensités

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Si on lit l’intersection de la colonne tension 400V et la ligne puissance 4KW, on obtient l’intensité nominale du moteur qui est de 8,1 A. Etape n°2 : choisir le relais thermique Pour choisir le relais thermique, il faut connaître l’intensité du moteur. Ce relais thermique est un composant que l’on doit régler à l’intensité nominale du moteur et donc il possède une plage de réglage. Le choix se fera donc pour que la valeur de l’intensité à régler se situe si possible vers le milieu de la plage de réglage. Lecture du tableau des relais thermiques

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Etape n°3 : choisir les fusibles Nous savons maintenant que les fusibles doivent avoir une dimension de 10 / 38, que ce sont des fusibles accompagnements moteur aM et que leur calibre doit être de 12A. Lecture du tableau des fusibles

Etape n°4 : choisir le sectionneur porte-fusibles Nota : nous choisirons un sectionneur porte-fusible sans contact de pré-coupure et sans dispositif contre la marche en monophasé.

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Lecture du tableau des sectionneurs porte-fusibles

Etape n°5 : choisir le contacteur Nous allons choisir maintenant le contacteur, pour cela il nous faut connaître la puissance, la tension d’alimentation du moteur ainsi que la tension d’alimentation de la bobine du contacteur qui se situe dans la partie commande. Puissance = 4KW. Tension d’alimentation du moteur 400 V. Tension d’alimentation de la bobine = 24 V< 50/60 Hertz.

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Lecture du tableau des contacteurs

13. Indices de protections Il est symbolisé par un code composé des quatre éléments suivants: 

Indice de protection contre la pénétration des corps solides (de 0 à 6)



Indice de protection contre la pénétration des liquides (de 0 à 8)



Résistance aux chocs de l’enveloppe de l’appareil (indice IK de 0 à 9)



Lettre précisant le niveau de protection vis-à-vis du contact direct (de A à D

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Indice de Protection IK L'indice IK détermine le degré de protection du matériel contre les chocs d'origine mécanique. Exemple : IK08 => Le matériel est protégé contre un choc équivalent à la chute d'une masse de 1,25kg depuis une hauteur de 40cm (correspondant à une énergie de 5 Joules).

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Protection mécanique IK

Tests

Définition

00

Pas de protection.

01

Energie de choc 0,15J.

02

Energie de choc 0,20J.

03

Energie de choc 0,37J.

04

Energie de choc 0,50J.

05

Energie de choc 0,70J.

06

Energie de choc 1J.

07

Energie de choc 2J.

08

Energie de choc 5J.

09

Energie de choc 10J.

39

10

Energie de choc 20J.

40