MACHINES ELECTRIQUES (partie 7/7)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de cette leçon, l’élève sera capable de : - expliquer le principe du freinage d’un moteur asynchrone triphasé et les phénomènes électromagnétiques qui y sont associés ; - distinguer les trois modes de freinage (régénératif, dynamique par résistance et contre‑couple) et déterminer leurs domaines d’application ; - réaliser le schéma de branchement d’un freinage dynamique avec résistance de freinage et calculer la valeur de cette résistance pour un couple de freinage donné ; - appliquer les consignes de sécurité liées au freinage (protection contre les surtensions, isolation, mise à la terre) dans un contexte professionnel camerounais (atelier, chantier, bureau d’études). **Prérequis** : connaissances de base sur le fonctionnement d’un moteur asynchrone triphasé (couple, glissement, facteur de puissance), notions de loi d’Ohm et de puissance électrique, ainsi que les règles de sécurité électrique (NF C 15-100, décret n° 2005/082 du MINEE). --- ## Introduction contextualisée Dans les installations industrielles camerounaises (usines de transformation du cacao, scieries, centrales hydroélectriques), les moteurs asynchrones triphasés sont largement utilisés pour entraîner des convoyeurs, des pompes ou des compresseurs. Lorsqu’il faut arrêter rapidement une machine ou inverser son sens de rotation, le simple découpage de l’alimentation n’est pas suffisant : le moteur continue à tourner par inertie et peut endommager le mécanisme ou mettre en danger les opérateurs. Le freinage permet de dissiper l’énergie cinétique du rotor sous forme de chaleur (freinage dynamique) ou de la renvoyer vers le réseau (freinage régénératif). Maîtriser ces techniques est donc indispensable pour garantir la productivité, la sécurité des personnes et la conformité aux normes nationales. --- ## I. Principes du freinage des moteurs asynchrones triphasés ### 1. Phénomène électromagnétique de base Lorsque le moteur fonctionne en mode moteur, le champ tournant du stator induit un courant dans le rotor (courant induit) qui crée un couple moteur proportionnel au glissement *s* = (*nₛ* − *n*)/*nₛ*. En inversant le sens du champ tournant (ou en le rendant stationnaire) le rotor subit un couple opposé à sa rotation, d’où le freinage. > **>** Le couple de freinage *T_f* est proportionnel au carré de la tension appliquée au stator et inversement proportionnel à la résistance du rotor : *T_f* ∝ *V²*/*Rᵣ*. ### 2. Conditions de freinage Trois réglages permettent d’obtenir un champ tournant opposé ou nul : - **Inversion de deux phases** du stator (inversion du sens du champ) → freinage par contre‑couple. - **Injection d’un courant continu** dans le stator (via un pont redresseur) → champ stationnaire → freinage dynamique. - **Maintien du moteur en générateur** (vitesse supérieure à la vitesse synchronisme) → renvoi d’énergie au réseau → freinage régénératif. --- ## II. Types de freinage et mise en œuvre ### A. Freinage régénératif Le moteur fonctionne en générateur lorsque sa vitesse *n* dépasse la vitesse synchronisme *nₛ*. L’énergie mécanique est convertie en énergie électrique et renvoyée au réseau via l’onduleur ou le variateur de fréquence. - **Avantage** : récupération d’énergie, rendement élevé. - **Inconvénient** : nécessite un variateur capable de gérer l’énergie renvoyée (freinage à quatre quadrants). - **Application typique** : ascenseurs, grues, convoyeurs à descente contrôlée. > **>** En régime régénératif, la puissance renvoyée *Pᵣ* = *T*·*ω* − *Pₚₑᵣd* où *T* est le couple de freinage, *ω* la vitesse angulaire du rotor et *Pₚₑᵣd* les pertes (cuivre, fer, ventilation). ### B. Freinage dynamique par résistance On injecte un courant continu dans le stator (via un pont redresseur et un hacheur) créant un champ stationnaire. Le rotor, en mouvement, induit des courants dans ses barres qui sont dissipés dans une résistance de freinage *R_f* montée en parallèle du pont redresseur (sur le lien continu). - **Schéma** : alimentation triphasée → pont redresseur → lien continu (Vdc) → résistance *R_f* en parallèle du lien continu ; le stator est alimenté en continu par le même lien continu via un hacheur. - **Calcul de *R_f*** : pour obtenir un couple de freinage *T_f* souhaité à une vitesse *n*, on utilise la relation approximative : \[ R_f = \frac{3 V_{dc}^2}{2 \pi f_s T_f} \quad \text{(V}_{dc}\text{ = tension continue du pont, } f_s\text{ = fréquence stator)} \] > **>** Exemple chiffré : moteur 400 V, 50 Hz, *P* = 7,5 kW, *nₛ* = 1500 tr/min, on désire *T_f* = 30 Nm à *n* = 1200 tr/min. Avec un pont redresseur donnant *V_{dc}* ≈ 540 V, on trouve *R_f* ≈ 93 Ω. - **Vérification du courant de freinage** : \[ I_f = \frac{V_{dc}}{R_f} = \frac{540}{92,9} \approx 5,81\;A \] - **Puissance dissipée dans la résistance** : \[ P_f = V_{dc} I_f = \frac{V_{dc}^2}{R_f} = \frac{540^2}{92,9} \approx 3,13\;kW \] - **Avantage** : simplicité, coût faible, adapté aux arrêts d’urgence. - **Inconvénient** : pertes sous forme de chaleur, nécessité de refroidir la résistance. ### C. Freinage par contre‑couple (inversion de phases) En permutant deux des trois phases d’alimentation, le champ tournant s’inverse de sens. Le moteur subit alors un couple de freinage important jusqu’à ce que la vitesse passe à zéro, puis il commence à accélérer dans le sens inverse si l’alimentation n’est pas coupée. - **Avantage** : pas de composants additionnels, réponse rapide. - **Inconvénient** : risque de inversion de sens non désirée, contraintes mécaniques importantes. - **Application** : inversion de sens de rotation sur des machines-outils où le retour en arrière est prévu. > **>** Le temps de freinage *t_f* approximatif pour un système à inertie *J* est : \[ t_f \approx \frac{J \, \omega_0}{T_f} \] où *ω₀* est la vitesse angulaire initiale. --- ## III. Sécurité, normes et mise en pratique professionnelle ### 1. Protection contre les surtensions Lors du passage du mode moteur au mode générateur (freinage régénératif), des surtensions peuvent apparaître aux bornes du stator. On utilise : - des **varistances** (VDR) en parallèle avec chaque phase ; - un **onduleur à quatre quadrants** équipé d’une fonction de limitation de tension. ### 2. Mise à la terre et isolation La résistance de freinage doit être isolée du châssis et reliée à la terre selon la norme NF C 15-100, article 541.3. Un **disjoncteur différentiel 30 mA** protège contre les courants de fuite. ### 3. Procédure de mise en service d’un freinage dynamique (atelier) 1. Vérifier l’absence de tension (vérificateur de tension, port de gants isolants). 2. Installer la résistance *R_f* sur un support ventilé, vérifier sa valeur avec un ohmmètre. 3. Relier le pont redresseur selon le schéma : entrée triphasée → pont → lien continu → résistance *R_f* en parallèle du lien continu ; le stator alimenté en continu via un hacheur. 4. Régler la tension de déclenchement du pont (via un potentiomètre) pour obtenir le courant de freinage désiré (mesuré avec une pince ampèremétrique). 5. Effectuer un essai à vide : lancer le moteur à 80 % de *nₛ*, activer le freinage, vérifier la décélération et la température de *R_f* (doit rester < 80 °C). 6. Consigner les paramètres dans le carnet de maintenance (tension, courant, temps de freinage). > **>** Toute intervention sur un dispositif de freinage doit être réalisée hors tension, avec verification de l’absence de tension (VAT) et port des EPI (gants isolants, lunettes de protection). --- ## Synthèse du chapitre - **Freinage régénératif** : moteur > vitesse synchronisme → énergie renvoyée au réseau ; nécessite variateur quatre quadrants. - **Freinage dynamique** : courant continu dans stator → champ stationnaire → courants induits dans le rotor dissipés dans *R_f* ; calcul de *R_f* à partir de la tension continue et du couple souhaité. - **Freinage par contre‑couple** : inversion de deux phases → champ tournant opposé → couple de freinage élevé ; risque d’inversion de sens. - **Formules clés** : - *T_f* ∝ *V²*/*Rᵣ* - *R_f* = 3 *V_{dc}²* / (2 π *fₛ* *T_f*) - *t_f* ≈ *J ω₀*/*T_f* - **Sécurité** : varistances, mise à la terre, disjoncteur différentiel, procédure hors tension, EPI. - **Applications camerounaises** : ascenseurs de bâtiments publics, grues de ports, convoyeurs d’usines de traitement du café, machines-outils d’ateliers de métallurgie. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Glissement *s* | Rapport entre la différence de vitesse synchronisme‑rotor et la vitesse synchronisme. | | Couple de freinage *T_f* | Couple opposé à la rotation du moteur destiné à réduire sa vitesse. | | Freinage régénératif | Mode où le moteur travaille en générateur et renvoie de l’énergie au réseau. | | Freinage dynamique | Dissipation de l’énergie cinétique sous forme de chaleur dans une résistance de freinage. | | Pont redresseur | Dispositif qui convertit le courant alternatif triphasé en courant continu. | | Résistance de freinage *R_f* | Résistance placée en parallèle du lien continu du pont redresseur pour dissiper les courants induits dans le rotor. | | Varistance (VDR) | Composant non linéaire qui limite les surtensions transitoires. | | Inertie *J* | Moment d’inertie du système tournant (moteur + charge). | | Fréquence stator *fₛ* | Fréquence du champ magnétique produit par le stator (Hz). | | Tension continue *V_{dc}* | Tension obtenue après redressement du triphasé. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’une résistance de freinage Un moteur asynchrone triphasé de 5,5 kW, 400 V, 50 Hz, possède une vitesse synchronisme de 1500 tr/min. On souhaite obtenir un couple de freinage de 25 Nm à une vitesse de 1200 tr/min en utilisant un pont redresseur fournissant une tension continue de 540 V. **Corrigé** 1. Calcul de la résistance de freinage : \[ R_f = \frac{3 V_{dc}^2}{2 \pi f_s T_f} = \frac{3 \times (540)^2}{2 \pi \times 50 \times 25} \] \[ R_f = \frac{3 \times 291\,600}{2 \pi \times 1250} = \frac{874\,800}{7\,853.98} \approx 111,4\;\Omega \] 2. Vérification du courant de freinage : \[ I_f = \frac{V_{dc}}{R_f} = \frac{540}{111,4} \approx 4,85\;A \] 3. Puissance dissipée dans la résistance : \[ P_f = V_{dc} I_f = \frac{V_{dc}^2}{R_f} = \frac{540^2}{111,4} \approx 2,62\;kW \] Cette puissance nécessite une résistance d’environ 2,6 kW, refroidie par ventilation forcée ou dissipateur adapté. **Réponse** : *R_f* ≈ 110 Ω (choisir une résistance de 120 Ω, 3 kW). ### Exercice 2 – Temps de freinage d’une charge inertielle Une scierie entraîne un disque de masse 80 kg, rayon 0,25 m (disque plein). Le disque tourne à 1800 tr/min avant le freinage. Le couple de freinage fourni par le système dynamique est de 40 Nm. Calculer le temps nécessaire pour arrêter le disque. **Corrigé** 1. Moment d’inertie d’un disque plein : \[ J = \frac{1}{2} m r^2 = \frac{1}{2} \times 80 \times (0,25)^2 = 0,5 \times 80 \times 0,0625 = 2,5\;kg·m² \] 2. Vitesse angulaire initiale : \[ \omega_0 = 2\pi \frac{n}{60} = 2\pi \times \frac{1800}{60} = 2\pi \times 30 = 188,5\;rad/s \] 3. Temps de freinage : \[ t_f = \frac{J \, \omega_0}{T_f} = \frac{2,5 \times 188,5}{40} = \frac{471,25}{40} \approx 11,8\;s \] **Réponse** : environ 12 secondes pour arrêter le disque. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de décharger les condensateurs du pont redresseur avant intervention | Risque de choc électrique sévère | Toujours vérifier l’absence de tension avec un VAT et décharger les condensateurs via une résistance de décharge. | | 2 | Utiliser une résistance de freinage sous‑dimensionnée (trop faible valeur) | Surchauffe, détérioration, risque d’incendie | Calculer *R_f* selon la formule ci‑dessus et prévoir une marge de 20 % en puissance. | | 3 | Ne pas installer de varistances sur les phases lors du freinage régénératif | Surtensions pouvant endommager l’onduleur ou le réseau | Placer une VDR en parallèle de chaque phase, conforme à la classe II. | | 4 | Effectuer le freinage par inversion de phases sans couper l’alimentation après arrêt | Inversion de sens non voulue, contraintes mécaniques importantes | Couper l’alimentation dès que la vitesse atteint zéro, utiliser un relais de détection de vitesse nulle. | | 5 | Négliger la mise à la terre du châssis de la résistance de freinage | Risque de potentiel de touche, non conformité NF C 15-100 | Relier le châssis à la terre avec un conducteur de protection de section minimale 4 mm². | | 6 | Omettre le port des EPI (gants isolants, lunettes) lors du réglage du pont redresseur | Exposition à l’arc électrique ou à des projections | Porter systématiquement les EPI adaptés avant toute manipulation sous tension. | --- *Fin de la fiche de cours.*