BTS électrotechnique 1ère année

Fiche descriptive d’accompagnement d’une ressource

Titre de l’activité : Diagnostic énergétique d’un moteur à courant continu

Nom et prénom de l’auteur : SENI André

Niveau : BTS Electrotechnique Durée indicative de l’activité : 3h à distance

Type d’activité:Activité expérimentale pouvant être menée à distance (utilise le logiciel PSIM dont la version démo est gratuite).

Contexte d’utilisation :

en classe █ à la maison en accompagnement personnalisé en projet

Scénario pédagogique   : - matériel nécessaire : PSIM démo à installer

- documents à, à distribuer aux élèves : la fiche d’activités et le fichier « Bilan puissance-eleves[0].psimsch »

- possibilités de mise en œuvre : lors d’une classe virtuelle au cours de laquelle le professeur suit la progression des

étudiants. dans le cadre d’une activité hybride. Sa mise en œuvre peut également inclure une phase

asynchrone permettant une appropriation en autonomie de l’activité puis une classe virtuelle pour étayer.

Afin de favoriser la progression dans l’activité en autonomie, des aides dans la démarche sont prévues sous forme de « coup de pouce » que l’élève peut demander spontanément ou qui peuvent être fournis par le professeur en cas de difficultés.

- 1 -

BTS électrotechnique 1ère année

Contextes professionnels de l’activité : Secteurs professionnels Nature

Chaîne de puissance Gestion et performances énergétiqueOptimisation de la consommation d’énergie

Tâches professionnelles liées à l’activité :

Compétences mises en œuvre par l’élève   :

Activités Blocs de compétences

Pôle

Analyse,diagnostic,

maintenance

Bloc « Analyse, diagnostic, maintenance »C2 : extraire les informations nécessaires à la réalisation des tâchesC13 : mesurer les grandeurs caractéristiques d’un ouvrage, d’une installation, d’un équipement électriqueC17 : réaliser un diagnostic de performance y compris énergétique, de sécurité, d’un ouvrage, d’une installation, d’un équipement électrique C18 : réaliser des opérations de maintenance sur un ouvrage, une installation, un équipement électrique

Programme de Physique chimie du BTS électrotechnique lié à l’activité :

LES CONVERTISSEURS ÉLECTROMECANIQUES

Notions/contenus Capacités exigiblesGrandeurs nominales Extraire des informations d’une plaque signalétique.Bilan de puissance Identifier les sources de pertes et les grandeurs

physiques (tension, courant, fréquence, etc. les influençant).

Mettre en œuvre les essais, exploiter les résultats afin de déterminer les différentes pertes.

Établir un bilan de puissance et calculer le rendement.

- 2 -

BTS électrotechnique 1ère année

Activité Diagnostic énergétique d’un moteur à courant continu

Les compétences qui peuvent être engagées au cours de l’activité sont précisées ci-dessous.

Domaines d’évaluation :S’approprier A B C D

Comprendre la problématique du travail à réaliser Adopter une attitude critique vis-à-vis de l’informationRechercher, extraire et organiser l’information en lien avec la problématique

Analyser A B C D

Relier qualitativement ou quantitativement différentes informations Proposer une stratégie pour répondre à la problématiqueMobiliser des connaissances dans le domaine disciplinaire

Réaliser A B C D

Mettre en œuvre la stratégie proposéeValider A B C D

Exploiter et interpréter des observations, des mesuresValider ou infirmer une information, une hypothèse, un modèle

Communiquer A B C D

Utiliser le vocabulaire scientifique, les symboles et les unités de manière appropriéeFormuler une conclusionExpliquer, représenter, argumenter, commenter

Critères d'évaluation pour chaque domaine

Niveau A : le candidat réalise seul l'ensemble du travail demandé sans coup de pouce ou grâce à une question posée par le professeur à laquelle le candidat répond spontanément.

Niveau B : le candidat réalise l'ensemble du travail demandé de manière satisfaisante avec un coup de pouce ou avec l’aide du professeur.

Niveau C : le candidat parvient à réaliser une partie du travail demandé avec deux coups de pouce ou une solution partielle fournie par le professeur.

Niveau D : le professeur propose une solution complète de cette partie de l’activité.

- 3 -

VV variateur

N

BTS électrotechnique 1ère année

Le contexte: Dans le cadre de la directive européenne d’éco-conception, le rendement des moteurs devra atteindre une catégorie d’efficacité définie dans l’extrait du règlement n° 640/2009, schématisé ci-dessous, afin d’optimiser leur consommation d’énergie.

A cette amélioration d’efficacité énergétique, et donc du rendement, correspond une augmentation de la classe énergétique IE du moteur.

Problématique : Une usine d’embouteillage possédant une vingtaine de convoyeurs est attentive à sa consommation d’énergie électrique. L’entreprise vous charge en tant que technicien de déterminer si la classe d’efficacité du moteur à courant continu équipant ces équipements répond aux exigences de la directive européenne. L’entreprise, ne pouvant pas arrêter sa chaine de production pour réaliser les mesures nécessaires, vous fournit un fichier de simulation PSIM reprenant les caractéristiques électriques et mécaniques du moteur. Elle vous indique aussi que les moteurs sont actuellement utilisés sans variateur de vitesse (VV).

Partie A S’approprier

Les documents qui vous sont fournis en annexe ainsi que la norme CE 640/2009 vous permettent de déterminer la classe d’efficacité minimum (IE…) que doit respecter aujourd’hui ce moteur ainsi que les grandeurs qui déterminent cette classe d’efficacité pour une puissance donnée.Vous établirez également, dans cette partie, l’expression de rendement nominal N en fonction de la puissance absorbée nominale Pan, des pertes Joule pjn et des pertes collectives pc.

Les coups de pouce n°1 et 2 peuvent être sollicités si vous devez être accompagné dans votre démarche pour la partie A.

Partie B Analyser

Afin de pouvoir exploiter le fichier de simulation PSIM que l’entreprise vous a fourni, vous êtes amené à réaliser les 2 schémas de montage vous permettant de déterminer séparément les pertes, en prenant soin de préciser les valeurs à régler pour chaque schéma.Vous pourrez vous baser sur les deux schémas, incomplets, ci-dessous.

Les coups de pouce n°3 et 4 peuvent être sollicités si vous devez être accompagné dans votre démarche pour la partie B.

- 4 -

=

==

==

BTS électrotechnique 1ère année

Partie C Réaliser

Ouvrir le fichier Bilan puissance-eleves[0].psimsch fourni par l’entreprise. Le document n°7, en annexe, vous guidera dans cette étape.Réaliser et simuler sous PSIM en mode « free run » les 2 schémas de montage afin de déterminer la résistance de l’induit R et les pertes collectives nominales pc. A partir des mesures des simulations déterminer la valeur de ces deux grandeurs.

Les coups de pouce n°5 et 6 peuvent être sollicités si vous devez être accompagné dans votre démarche pour la partie C.

Partie D Valider

Répondre à la problématique.

Les coups de pouce n°7 et 8 peuvent être sollicités si vous devez être accompagné dans votre démarche pour la partie D.

- 5 -

Puissance utile nominale kW

Ren

dem

ent %

Puissanceabsorbée par

l’induitPa = U.I

Pertes Jouleinduit

Pj = R.I2

Pertesferromagnétiques

Pertesmécaniques

Puissanceutile

PU = TU .

ELECTRIQUE MECANIQUE

BTS électrotechnique 1ère année

Annexe

Document   1 : Plaque signalétique de la machine à courant continu Induit 220 V - 10 A n = 1500 tr.min-1

Inducteur 0,75 A

Document   2 : Niveau de classe énergétique des moteurs électriques 1500 tr.min -1 (norme CEI 6003430, 2009) :

IE1 – StandardIE2 – HighIE3 – PremiumIE4 – Super premium(depuis 2010)

Document 3   : Quel est le bilan de puissance de l’induit d’un moteur à courant continu

- 6 -

BTS électrotechnique 1ère année

Document   4 : Comment déterminer le rendement nominal d’un moteur par la méthode des pertes séparées ?L’expression du rendement nominal est :

ηn=Pun

Pan=

Tun Ωn

Pan

Ne pouvant pas mesurer directement le moment du couple utile T unsur l'arbre moteur, le seul moyen de connaître la puissance mécanique utile nominal est alors de faire le calcul suivant : Pun = Pan – pertes

Il est donc impératif de déterminer les pertes pour le fonctionnement nominal en réalisant les 2 essais suivant : Essai 1 : Mesure de la résistance R Essai 2 : Détermination des pertes collectives nominales

Document 5   : Comment mesurer la résistance de l’induit   ? L’essai à rotor bloqué (la machine ne tourne pas) permet de mesurer la résistance de l’induit. Il suffit de ne pas alimenter l’inducteur.Cet essai est réalisé sous tension continue réduite.On utilise la méthode voltampéremétrique : on augmente la tension progressivement Uréduite pour obtenir l’intensité nominale IN du courant induit. On en déduit R par calcul tel que

R = U réduite

IN.

Document 6   :Qu’est ce que les pertes collectives   ? Les pertes collectives sont la somme des pertes ferromagnétiques et des pertes mécaniques

Pc = pertes collectives = pertes ferromagnétiques + pertes mécaniquesLes pertes collectives se déterminent par l’essai à vide.Lors de cet essai, la machine, fonctionnant à flux nominal, tourne à sa vitesse nominal N = NN mais n’entraine aucune charge tel que tel que TR = Tuv = 0.Le bilan de puissance à vide devient Pav = Puv + pjv + pc avec Puv = Tuv v = 0

- 7 -

BTS électrotechnique 1ère année

Document 7   : Logiciel de simulation PSIM Le logiciel PSIMDEMO est un logiciel de simulation GRATUIT.Il permet de SIMULER TOUS LES MONTAGES D’ELECTROTECHNIQUE comme :

Circuit électrique simple RC, RL RLC Transformateur  Machines électriques MCC, MAS, MS panneau solaire ….

Vous pouvez le télécharger gratuitement PSIMDEMO à partir du site de http://www.powersimtech.com

Un site fait office de référence dans le cadre enseignement, réalisé par un professeur agrégé de Physique Appliquée, enseignant en BTS électrotechnique. Il montre les possibilités de l’utilisation d’un tel logiciel. http://f.leplus.free.fr

Le logiciel de simulation est composé de PSIM et de SIMVIEW.o PSIM est la boite à outil où vous réalisez vos schémaso SIMVIEW affichera les résultats de vos paramètres.

Le mode « Free run» dans PSIM permet de visualiser « on line » les valeurs des appareils de mesure après avoir préalablement coché « show’s probe during simulation » sur ces derniers.

- 8 -

BTS électrotechnique 1ère année

Coups de Pouce

Coup de Pouce 1 Utiliser le document 2.

Le classement d’un moteur dépend de la grandeur des axes des ordonnées par rapport à la grandeur des axes des abscisses.

Coup de Pouce 2 Utiliser le document 4 et le document 5

1. Donner l’expression du rendement nominal N en fonction de Pun et Pan.2. Donner l’expression de la puissance utile nominale Pun en fonction de Pan, pjn et pc.

Coup de Pouce 3 Détermination de la résistance R d’induitUtiliser le document 1, le document 6 et le document 8

1. L’inducteur est il alimenté ? Que vaut alors Ie ?2. le courant induit est réglé à son intensité nominale In

Remarque : La tension U à régler pour cet essai est réduite

Coup de Pouce 4 Détermination des pertes collectivesUtiliser le document 1, le document 7 et le document 8

1. A quelle vitesse tourne la machine dans cet essai ?2. L’inducteur est il alimenté à son intensité nominale. Que vaut alors Ie ?Remarque La tension d’induit U à régler est proche de sa tension nominale.

Coup de Pouce 5 Détermination de la résistance R d’induitUtiliser le document 6 et les mesures de votre essai 1

Coup de Pouce 6 Détermination des pertes collectivesUtiliser le document 7 et les mesures de votre essai 21. Calculer la puissance à vide Pav

2. Calculer les pertes joules à vide PJV

3. En déduire les pertes collectives pc à partir du bilan de puissance à vide.

Coup de Pouce 7 Pour le point de fonctionnement nominal (tension et intensité indiquées sur la plaque signalétique), calculer 1. la puissance absorbée Pan

2. les pertes joule pjn

3. la puissance utile Pun du moteur4. le rendement nominal du moteur.

Coup de Pouce 8 A partir du document 2 et de la puissance utile nominale Pun, compléter les pointillés pour pouvoir positionner le moteur étudié dans son niveau IE

Puissance nominale (kW) IE1 IE2 IE3 IE4

PuN = …. ηN (%)<… … ηN (%) < … … ηN (%) < … ηN (%)

- 9 -