MACHINES ELECTRIQUES (partie 3/4)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Expliquer le principe de fonctionnement d’un alternateur et d’un micro‑moteur, en décrivant leurs parties essentielles et leurs applications industrielles au Cameroun. 2. Réaliser, en toute sécurité, le montage d’un circuit de démarrage d’un moteur asynchrone triphasé (schéma étoile‑triangle ou autotransformateur) en suivant les étapes d’un TP de laboratoire. 3. Mettre en service le moteur, effectuer les réglages de courant de démarrage et de couple, puis interpréter les mesures de tension, de courant et de puissance. 4. Rédiger un compte‑rendu de TP conforme aux normes techniques (schémas, tableau de mesures, conclusion). 5. Identifier les erreurs fréquentes de câblage et appliquer les règles de sécurité électrique (ISO 12100, NF C 15‑100) lors d’interventions sur des machines tournantes. **Prérequis** : - Notions de base en électromagnétisme (loi de Faraday, loi de Lenz). - Connaissance des grandeurs électriques (tension, courant, puissance, facteur de puissance) et de leurs unités. - Lecture de schémas unifilaires et de diagrammes de connexion (étoile, triangle). - Manipulation d’instruments de mesure (multimètre, wattmètre, pince ampèremétrique). - Règles de sécurité élémentaires (mise à la terre, coupure de l’alimentation, port des EPI). --- ## Introduction Dans les installations industrielles camerounaises, les machines électriques constituent le cœur de la production : alternateurs qui transforment l’énergie mécanique des turbines hydroélectriques ou des groupes électrogènes en énergie électrique, et moteurs asynchrones qui entraînent pompes, convoyeurs, broyeurs et machines‑outils. La maîtrise de leur principe, de leur montage et de leur mise en service est donc indispensable pour les techniciens supérieurs en électrotechnique. Ce chapitre aborde successivement l’alternateur et les micro‑moteurs (Leçon 19), puis le TP de montage du circuit de démarrage d’un moteur asynchrone en deux parties (Leçons 20 et 21), en insistant sur les aspects pratiques, les normes de sécurité et les méthodes de dépannage rencontrées sur les chantiers du secteur énergétique, de l’agro‑industrie et de la construction au Cameroun. --- ## I. Leçon 19 : Alternateur / Micro moteurs ### A. Définition et principe de l’alternateur > Un alternateur est une machine électrique synchrone qui convertit une énergie mécanique rotationnelle en énergie électrique alternative triphasée, grâce à l’induction électromagnétique dans un enroulement statorique soumis à un champ tournant créé par le rotor. Le rotor peut être à aimants permanents (alternateur à aimants) ou à excitation séparée (enroulement de rotor alimenté par un continu via des bagues collectrices). La fréquence de la tension générée dépend du nombre de pôles *p* et de la vitesse de rotation *n* (en tr/min) selon la relation : \[ f = \frac{p \cdot n}{120} \] où *f* est en hertz. ### B. Construction d’un alternateur simple 1. **Stator** : noyau en tôles d’acier silicium empilées, enroulements triphasés disposés en fentes, généralement connectés en étoile ou en triangle selon la tension de sortie souhaitée. 2. **Rotor** : - *Type à salient poles* : pôles saillants en acier, enroulement d’excitation alimenté par continu. - *Type lisse* : cylindre métallique avec enroulement d’excitation réparti uniformément (utilisé pour les grandes puissances). 3. **Système de refroidissement** : refroidissement à air (ventilateur intégré) ou à eau pour les alternateurs de puissance > 500 kW. 4. **Bagues collectrices et balais** (pour rotor à excitation séparée) : assurent le transfert du courant continu vers le rotor tout en minimisant l’usure. **Exemple chiffré** : Un alternateur de 10 kW, 4 pôles, fonctionnant à 1500 tr/min produit une fréquence de \[ f = \frac{4 \times 1500}{120}=50\text{ Hz} \] adaptée au réseau camerounais. ### C. Micro moteurs Les micro‑moteurs sont des machines électriques de petite taille (quelques watts à quelques centaines de watts) utilisées pour la commande précise de mouvements. On distingue principalement : | Type | Principe | Application typique au Cameroun | |------|----------|---------------------------------| | Moteur pas à pas | Déplacement angulaire discret par impulsions de courant dans des enroulements statoriques | Impression 3D, scanners de documents, systèmes d’irrigation goutte‑à‑goutte | | Moteur servo (DC ou AC) | Boucle de rétroaction (encodeur ou potentiomètre) asservissant la position, la vitesse ou le couple | Bras robotiques de montage, portes automatiques de bâtiments publics | | Moteur sans balais (BLDC) | Commutation électronique par détecteur d’effet Hall | Ventilateurs de climatisation, pompes solaires | > Le moteur pas à pas offre un pas mécanique typique de 1,8° (200 pas/révolution) lorsqu’il est alimenté en mode plein pas. ### D. Sécurité et entretien - Vérifier l’isolement du stator (test à 500 V DC) avant toute mise sous tension. - S’assurer que les bagues collectrices sont propres et que les balais présentent une longueur suffisante (> 2 mm). - Utiliser des gants isolants et des lunettes de protection lors du contrôle du rotor en rotation. - Respecter les consignes de lock‑out/tag‑out (LOTO) lors des interventions sur l’alimentation d’excitation. --- ## II. Leçon 20 : TP montage de circuit de démarrage de moteur asynchrone – Partie A ### A. Objectif du TP Monter, tester et mettre en service un circuit de démarrage étoile‑triangle pour un moteur asynchrone triphasé de 4 kW, 380 V, 50 Hz, en respectant les normes NF C 15‑100 et les règles de sécurité industrielle. ### B. Schéma de puissance et de commande 1. **Circuit puissance** : - Deux contacteurs principaux : K1 (étoile) et K2 (triangle), chacun comportant trois contacts de puissance. - Protection contre les surintensités par un disjoncteur magnétothermique adapté au courant de pleine charge (In). 2. **Circuit de commande** : - Bouton poussoir « Marche » (NO) et bouton poussoir « Arrêt » (NC). - Bobine du relais temporisé (RT) en série avec le bouton « Marche » et le contact normalement fermé du bouton « Arrêt ». - Contact normalement ouvert du relais temporisé (RT) commandant la bobine du contacteur triangle (K2). - Contacts auxiliaires normalement fermés de K1 et K2 en série pour l’interverrouillage (empêcher la fermeture simultanée des deux contacteurs). - Voyants lumineux (étoile = vert, triangle = rouge) en parallèle avec les bobines K1 et K2. > Le délai du relais temporisé doit être réglé de façon à ce que le moteur atteigne au moins 80 % de sa vitesse nominale avant le passage en triangle, afin de limiter le courant de démarrage. ### C. Étapes de montage pas à pas 1. **Repérage** : Identifier les six borniers du moteur (U1, V1, W1, U2, V2, W2) sur la plaque signalétique. 2. **Installation du disjoncteur** : Le placer en amont du circuit puissance, serrer les vis à 2,5 Nm (clé dynamométrique). 3. **Câblage du circuit puissance** : - Relier les phases d’alimentation L1, L2, L3 aux entrées du contacteur étoile (K1). - Relier les sorties du contacteur étoile (K1) aux borniers U2, V2, W2 du moteur (ou U1, V1, W1 selon le schéma du fabricant). - Relier les borniers U1, V1, W1 du moteur entre eux pour former le point neutre étoile (ou les relier selon le schéma du fabricant). - Pour la connexion triangle, relier les sorties du contacteur triangle (K2) aux borniers U2, V2, W2 du moteur, et interconnecter les enroulements comme suit : U1–V2, V1–W2, W1–U2 (ou selon le schéma du fabricant). - Mettre en série les contacts auxiliaires normalement fermés de K1 et K2 pour l’interverrouillage (empêcher la fermeture simultanée des deux contacteurs). - Connecter la bobine du relais temporisé (RT) en série avec le bouton « Marche » et le contact auxiliaire normalement fermé du bouton « Arrêt ». 4. **Câblage du circuit de commande** : - Placer le bouton poussoir « Marche » (NO) en série avec la bobine du contacteur étoile (K1) et la bobine du relais temporisé (RT). - Placer le bouton poussoir « Arrêt » (NC) en série avec l’alimentation de la commande (après le disjoncteur de commande) pour couper l’alimentation des bobines K1, K2 et RT. - Utiliser le contact normalement ouvert du relais temporisé (RT) pour alimenter la bobine du contacteur triangle (K2) après le délai réglé. - Ajouter les voyants lumineux (étoile = vert, triangle = rouge) en parallèle avec les bobines respectives K1 et K2. 5. **Vérification d’isolement** : Avec un mégohmmètre, mesurer la résistance d’isolement entre chaque phase et la terre (> 1 MΩ). 6. **Mise sous tension** : Effectuer une première mise sous tension à vide, vérifier l’enclenchement du relais temporisé après le délai réglé, puis observer le passage de l’indicateur étoile → triangle. ### D. Mesures et vérifications - **Courant de démarrage en étoile** : Mesurer avec une pince ampèremétrique ; il doit être environ 1/3 du courant de démarrage direct en triangle. - **Tension de ligne** : Vérifier que la tension entre deux phases reste proche de 380 V ± 5 % durant tout le cycle. - **Température du boîtier** : Après 10 min de fonctionnement, la température ne doit pas dépasser 60 °C (mesure avec thermocouple). - **Consigne de réglage du relais temporisé** : Ajuster le délai jusqu’à ce que le courant de chute (après passage en triangle) se stabilise autour du courant de pleine charge (In). > Toutes les mesures doivent être consignées dans un tableau de relevés comprenant : temps, état (étoile/triangle), courant de ligne (A), tension de ligne (V), température (°C). --- ## III. Leçon 21 : TP montage de circuit de démarrage de moteur asynchrone – Partie B ### A. Mise en service et réglages Après le montage de la partie A, le TP se poursuit par : 1. **Essai à vide** : Vérifier l’équilibre des courants (différence < 5 % entre phases). 2. **Essai en charge** : Connecter une charge résistive (banque de lampes ou résistance de charge) correspondant à 75 % de la puissance nominale du moteur. 3. **Réglage du relais de surcharge** : Positionner le seuil à 1,1 × In pour protéger le moteur contre les surcharges prolongées. 4. **Vérification du facteur de puissance** : À l’aide d’un wattmètre, mesurer P, Q et S ; le facteur de puissance doit être > 0,85 en charge nominale. ### B. Démarrage progressif (alternatives) Bien que l’étoile‑triangle soit étudié, il est utile de connaître d’autres procédés : | Méthode | Principe | Avantages | Inconvénients | |---------|----------|-----------|---------------| | Autotransformateur | Réduction de la tension d’alimentation via un transformateur à prises | Courant de démarrage réduit à 50‑70 % du DOL | Encombrement, coût | | Variateur de fréquence (VFD) | Contrôle de la fréquence et de la tension via un onduleur | Démarrage très doux, réglage de vitesse | Coût élevé, besoin de filtrage harmonique | | Démarrage par résistance rotorique (pour moteurs à rotor bobiné) | Insertion de résistances dans le circuit rotor | Courant de démarrage limité, couple de démarrage élevé | Résistances à refroidir, entretien | > Dans les zones rurales du Cameroun où le réseau est fragile, l’autotransformateur reste une solution économique pour les moteurs de pompage d’irrigation. ### C. Essais de charge et relevés de performance 1. **Couple de démarrage** : Mesuré à l’aide d’un dynamomètre couplé à l’arbre moteur ; il doit être supérieur au couple de résistance de la charge pour assurer le démarrage. 2. **Rendement** : Calculé par η = P_sortie / P_entrée × 100 %. Pour un moteur de 4 kW bien réglé, η ≈ 85 % à charge nominale. 3. **Chauffage** : Après 30 min de fonctionnement en charge nominale, la température de l’enroulement stator ne doit pas dépasser 80 °C (classe d’isolation B). ### D. Rapport de TP Le rapport doit contenir : - Schéma unifilaire complet (puissance + commande). - Tableau de relevés (courant, tension, température, facteur de puissance) à chaque étape (vide, étoile, triangle, charge). - Courbe de courant en fonction du temps montrant le pic de démarrage et la stabilisation. - Analyse des écarts par rapport aux valeurs théoriques et propositions d’amélioration (serrage des connexions, réglage du relais temporisé). - Conclusion sur la conformité aux normes de sécurité et la pertinence du procédé étoile‑triangle pour le moteur étudié. > Un bon rapport de TP est jugé sur la clarté des schémas, l’exactitude des relevés et la pertinence de l’analyse critique. --- ## Synthèse du chapitre - L’alternateur transforme l’énergie mécanique en énergie électrique triphasée selon la loi de Faraday ; sa fréquence dépend du nombre de pôles et de la vitesse de rotation (f = p·n/120). - Les micro‑moteurs (pas à pas, servo, BLDC) offrent un contrôle précis du mouvement et sont largement utilisés dans l’automatisation et les énergies renouvelables au Cameroun. - Le démarrage étoile‑triangle réduit le courant d’appel à environ un tiers du démarrage direct, tout en préservant un couple de démarrage suffisant pour la plupart des charges industrielles. - Le montage du circuit de démarrage nécessite le respect d’un ordre de câblage précis, la vérification d’isolement et le réglage du relais temporisé pour éviter les surcourants mécaniques. - Les essais en charge permettent de valider le rendement, le facteur de puissance et la température de fonctionnement, conformément aux classes d’isolation et aux normes NF C 15‑100. - Les règles de sécurité (LOTO, EPI, mise à la terre, tests d’isolement) sont indispensables à chaque étape de montage, de mise en service et de maintenance. - L’analyse des écarts entre mesures théoriques et réelles permet d’identifier les mauvais contacts, les réglages inadaptés ou les défauts d’isolation. --- ## Glossaire - **Alternateur** : Machine électrique synchrone convertissant l’énergie mécanique en énergie alternative triphasée. - **Stator** : Partie fixe d’une machine tournante portant les enroulements où est induite la tension. - **Rotor** : Partie tournante d’une machine électrique, pouvant être à aimants permanents ou à enroulement d’excitation. - **Moteur asynchrone** : Machine à induction où le rotor tourne à une vitesse légèrement inférieure à celle du champ tournant statorique. - **Démarrage étoile‑triangle** : Méthode de réduction du courant d’appel en commençant le moteur en connexion étoile puis en le passant en triangle après un délai réglé. - **Relais temporisé** : Dispositif qui introduit un retard réglable entre l’enclenchement d’une bobine et son déclenchement, utilisé pour le changement de connexion étoile‑triangle. - **Facteur de puissance (cos φ)** : Rapport entre la puissance active (P) et la puissance apparente (S) ; indique l’efficacité de l’utilisation du courant. - **Classe d’isolation** : Classement des matériaux d’isolation selon leur température maximale admissible (ex. classe B = 130 °C). --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un alternateur Un poste de pompage rural doit fournir une puissance électrique de 12 kW à 380 V, triphasé, 50 Hz. Le groupe motopropulseur disponible tourne à 1500 tr/min. **Déterminer** : a) Le nombre de pôles nécessaire de l’alternateur. b) La fréquence générée si le nombre de pôles est celui trouvé. c) La tension de phase (entre phase et neutre) si l’alternateur est couplé en étoile. **Corrigé** : a) En utilisant la formule f = p·n/120 avec f = 50 Hz et n = 1500 tr/min : p = (f·120)/n = (50·120)/1500 = 4 pôles. b) Avec p = 4, f = (4·1500)/120 = 50 Hz (vérifié). c) En étoile, la tension de ligne V_L = 380 V. La tension de phase V_ph = V_L/√3 = 380/1,732 ≈ 219 V. ### Exercice 2 – Choix du dispositif de démarrage Un moteur asynchrone de 5,5 kW, 380 V, 50 Hz, possède un courant de pleine charge I_n = 12 A. Son courant de démarrage direct (DOL) est estimé à 6 × I_n. **Déterminer** : a) Le courant de démarrage en étoile‑triangle. b) Si un autotransformateur à 0,5 × V_L est utilisé, quel serait le courant de démarrage approximatif ? c) Quel dispositif (étoile‑triangle ou autotransformateur) serait le plus adapté pour limiter le courant de démarrage à moins de 20 A tout en assurant un couple de démarrage suffisant ? **Corrigé** : a) Courant de démarrage en étoile‑triangle ≈ (1/3) × courant DOL = (1/3) × (6·12 A) = 24 A. b) Avec un autotransformateur à 0,5 × V_L, le courant est approximativement proportionnel à la tension : I ≈ 0,5 × I_DOL = 0,5 × (6·12 A) = 36 A. (En pratique, le facteur est légèrement inférieur à cause de l’impédance du transformateur, mais reste > 20 A.) c) Le courant obtenu en étoile‑triangle (24 A) dépasse la limite de 20 A. Aucun des deux dispositifs ne satisfait cette contrainte stricte ; il faudrait envisager un démarrage par variateur de fréquence ou un démarrage par résistance rotorique pour descendre sous 20 A tout en conservant un couple adéquat. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de serrer les vis du disjoncteur à la valeur de couple spécifiée (ex. 2,5 Nm) | Risque de surchauffe, détérioration du contact, déclenchement intempestif | Utiliser une clé dynamométrique et vérifier le couple après chaque intervention. | | 2 | Négliger le test d’isolement avant la première mise sous tension | Court‑circuit entre phase et terre, risque d’électrocution ou d’incendie | Mesurer la résistance d’isolement (≥ 1 MΩ) avec un mégohmmètre ; répéter après toute modification. | | 3 | Régler le relais temporisé trop court (< 2 s) entraînant un passage prématuré en triangle | Courant d’appel élevé, déclenchement du disjoncteur, contraintes mécaniques sur l’arbre | Effectuer un essai à vide, mesurer le temps nécessaire pour atteindre 80 % de la vitesse nominale, puis ajuster le relais en conséquence. | | 4 | Utiliser des câbles de section insuffisante pour le circuit puissance (ex. 1,5 mm² au lieu de 2,5 mm²) | Surchauffe du câble, chute de tension, risque d’incendie | Se référer aux tables de section selon le courant nominal (IEC 60364‑5‑52) et prévoir une marge de 20 %. | | 5 | Ne pas porter de lunettes de protection lors du contrôle du rotor en rotation | Projection de particules, risque de lésion oculaire | Toujours porter des EPI adaptés (lunettes, gants isolants, chaussures de sécurité) lorsqu’on travaille sur des pièces en mouvement. | | 6 | Laisser le bouton d’arrêt en position « marche » après une intervention | Redémarrage intempestif du moteur, danger pour le personnel | Appliquer la procédure de lock‑out/tag‑out (LOTO) : isoler l’alimentation, placer un cadenas et un étiquette sur le dispositif de commande avant toute opération. |