Analyse d’un moteur électrique en CA

Analyse d’un moteur électrique en CA

Analyse d’un moteur électrique en CA

Calculer les différentes puissances (active, réactive, apparente), le facteur de puissance et le rendement d'un moteur monophasé.

Les moteurs à courant alternatif (CA) sont des dispositifs convertissant l'énergie électrique en énergie mécanique. Leur fonctionnement en régime sinusoïdal implique la prise en compte de différentes formes de puissance dues à leur nature souvent inductive.

Les grandeurs caractéristiques sont :

  • Puissance Active Absorbée (\(P_{abs}\) ou \(P_1\)) : Puissance électrique réellement consommée par le moteur et convertie en partie en puissance mécanique utile et en partie en pertes. Unité : Watt (W). \(P_{abs} = U_{eff} I_{eff} \cos(\phi)\).
  • Puissance Réactive (\(Q\)) : Puissance nécessaire à la magnétisation des circuits du moteur. Unité : Voltampère Réactif (VAR). \(Q = U_{eff} I_{eff} \sin(\phi)\).
  • Puissance Apparente (\(S\)) : Produit des valeurs efficaces de la tension et du courant d'alimentation. \(S = U_{eff} I_{eff}\). Unité : Voltampère (VA). Elle est liée aux autres par \(S = \sqrt{P_{abs}^2 + Q^2}\).
  • Facteur de Puissance (\(\cos(\phi)\)) : Rapport \(P_{abs}/S\). Il indique l'efficacité avec laquelle la puissance apparente est utilisée pour produire de la puissance active. \(\phi\) est le déphasage entre la tension et le courant d'alimentation.
  • Puissance Utile (ou Mécanique) (\(P_u\)) : Puissance mécanique fournie par l'arbre du moteur. Unité : Watt (W).
  • Rendement (\(\eta\)) : Rapport entre la puissance utile et la puissance active absorbée. \(\eta = P_u / P_{abs}\).

Données du Problème

Un moteur électrique monophasé asynchrone présente les caractéristiques nominales suivantes sur sa plaque signalétique :

  • Tension d'alimentation efficace (\(U_{eff}\)) : \(230 \text{ V}\)
  • Courant absorbé efficace (\(I_{eff}\)) : \(5.0 \text{ A}\)
  • Facteur de puissance (\(\cos(\phi)\)) : \(0.85\) (inductif)
  • Puissance utile (mécanique) fournie (\(P_u\)) : \(800 \text{ W}\)
  • Fréquence du réseau (\(f\)) : \(50 \text{ Hz}\)
Moteur Électrique Monophasé en CA Source AC 230V, 50Hz M Arbre (Pu) Ieff = 5A cos φ = 0.85
Schéma d'un moteur électrique alimenté en courant alternatif.

Questions

  1. Calculer la puissance apparente \(S\) absorbée par le moteur.
  2. Calculer la puissance active \(P_{abs}\) absorbée par le moteur.
  3. Déterminer la valeur de l'angle de déphasage \(\phi\) entre la tension et le courant.
  4. Calculer la puissance réactive \(Q\) absorbée par le moteur.
  5. Calculer le rendement \(\eta\) du moteur.
  6. Si le moteur fonctionne pendant 4 heures à son régime nominal, calculer l'énergie électrique \(E_{elec}\) consommée en kilowattheures (kWh).
  7. Calculer le coût de cette consommation d'énergie si le prix du kWh est de \(0.180 \text{ €}\).

Correction : Analyse d’un moteur électrique en CA

1. Calcul de la Puissance Apparente (\(S\))

La puissance apparente \(S = U_{eff} I_{eff}\).

Données :
\(U_{eff} = 230 \text{ V}\)
\(I_{eff} = 5.0 \text{ A}\)

\[ \begin{aligned} S &= 230 \text{ V} \times 5.0 \text{ A} \\ &= 1150 \text{ VA} \end{aligned} \]

La puissance apparente absorbée par le moteur est \(S = 1150 \text{ VA}\).

2. Calcul de la Puissance Active Absorbée (\(P_{abs}\))

La puissance active absorbée \(P_{abs} = U_{eff} I_{eff} \cos(\phi) = S \cos(\phi)\).

Données :
\(S = 1150 \text{ VA}\)
\(\cos(\phi) = 0.85\)

\[ \begin{aligned} P_{abs} &= S \times \cos(\phi) \\ &= 1150 \text{ VA} \times 0.85 \\ &= 977.5 \text{ W} \end{aligned} \]

La puissance active absorbée par le moteur est \(P_{abs} = 977.5 \text{ W}\).

3. Détermination de l'Angle de Déphasage (\(\phi\))

On a \(\cos(\phi) = 0.85\). Le moteur est inductif, donc \(\phi > 0\).

\[ \begin{aligned} \phi &= \arccos(0.85) \\ &\approx 31.788^\circ \approx 31.8^\circ \end{aligned} \]

En radians : \(\phi \approx 31.788^\circ \times \frac{\pi}{180^\circ} \approx 0.5548 \text{ rad}\).

L'angle de déphasage est \(\phi \approx 31.8^\circ\) (ou \(\approx 0.555 \text{ rad}\)).

Quiz Intermédiaire : Facteur de Puissance

Question : Un facteur de puissance de 0.7 inductif signifie que :

4. Calcul de la Puissance Réactive (\(Q\))

\(Q = U_{eff} I_{eff} \sin(\phi)\). Il faut d'abord calculer \(\sin(\phi)\). On sait que \(\sin^2(\phi) + \cos^2(\phi) = 1\), donc \(\sin(\phi) = \sqrt{1 - \cos^2(\phi)}\) (puisque \(\phi\) est entre 0 et 90° pour un moteur inductif, \(\sin(\phi) > 0\)).

Données : \(\cos(\phi) = 0.85\)

\[ \begin{aligned} \sin(\phi) &= \sqrt{1 - (0.85)^2} \\ &= \sqrt{1 - 0.7225} \\ &= \sqrt{0.2775} \\ &\approx 0.5268 \end{aligned} \]

Maintenant, calculons \(Q\):

\[ \begin{aligned} Q &= S \times \sin(\phi) \\ &\approx 1150 \text{ VA} \times 0.5268 \\ &\approx 605.82 \text{ VAR} \end{aligned} \]

La puissance réactive absorbée par le moteur est \(Q \approx 605.8 \text{ VAR}\).

5. Calcul du Rendement (\(\eta\)) du Moteur

Le rendement \(\eta = P_u / P_{abs}\).

Données :
\(P_u = 800 \text{ W}\)
\(P_{abs} = 977.5 \text{ W}\)

\[ \begin{aligned} \eta &= \frac{P_u}{P_{abs}} \\ &= \frac{800 \text{ W}}{977.5 \text{ W}} \\ &\approx 0.8184 \end{aligned} \]

En pourcentage : \(\eta \approx 0.8184 \times 100\% \approx 81.84\%\).

Le rendement du moteur est \(\eta \approx 0.818\) (soit \(81.8\%\)).

6. Calcul de l'Énergie Électrique Consommée (\(E_{elec}\))

L'énergie électrique consommée \(E_{elec} = P_{abs} \times \Delta t\). Il faut convertir la puissance en kilowatts (kW) et la durée en heures (h).

Données :
\(P_{abs} = 977.5 \text{ W} = 0.9775 \text{ kW}\)
\(\Delta t = 4 \text{ heures}\)

\[ \begin{aligned} E_{elec} &= P_{abs} \times \Delta t \\ &= 0.9775 \text{ kW} \times 4 \text{ h} \\ &= 3.91 \text{ kWh} \end{aligned} \]

L'énergie électrique consommée par le moteur en 4 heures est \(E_{elec} = 3.91 \text{ kWh}\).

Quiz Intermédiaire : Énergie et Coût

Question : Un appareil consomme 2 kWh. Si le prix du kWh est de 0.20 €, quel est le coût de fonctionnement ?

7. Calcul du Coût de Fonctionnement

Coût = Énergie consommée (kWh) \(\times\) Prix du kWh.

Données :
\(E_{elec} = 3.91 \text{ kWh}\)
Prix du kWh = \(0.180 \text{ €/kWh}\)

\[ \begin{aligned} \text{Coût} &= 3.91 \text{ kWh} \times 0.180 \text{ €/kWh} \\ &\approx 0.7038 \text{ €} \end{aligned} \]

Le coût de fonctionnement du moteur pendant 4 heures est d'environ \(0.70 \text{ €}\).

Quiz : Testez vos connaissances !

Question 1 : La puissance apparente \(S\) d'un moteur est toujours :

Question 2 : Un facteur de puissance de 0.7 signifie que :

Question 3 : Le rendement d'un moteur électrique est défini comme le rapport :

Question 4 : L'unité de la puissance réactive est le :

Glossaire des Termes Clés

Moteur à Courant Alternatif (AC) :

Machine électrique qui convertit l'énergie électrique alternative en énergie mécanique.

Puissance Active (\(P\)) :

Puissance réellement transformée en travail mécanique utile et en pertes par effet Joule. Unité : Watt (W).

Puissance Réactive (\(Q\)) :

Puissance associée aux champs magnétiques dans le moteur, nécessaire à son fonctionnement mais non convertie en travail utile. Unité : Voltampère Réactif (VAR).

Puissance Apparente (\(S\)) :

Produit de la tension efficace et du courant efficace d'alimentation. Unité : Voltampère (VA).

Facteur de Puissance (\(\cos\phi\)) :

Rapport entre la puissance active et la puissance apparente. Indique l'efficacité de l'utilisation de la puissance fournie par le réseau.

Rendement (\(\eta\)) :

Rapport entre la puissance mécanique utile fournie par le moteur et la puissance électrique active qu'il absorbe.

Déphasage (\(\phi\)) :

Différence de phase angulaire entre la tension d'alimentation et le courant absorbé par le moteur.

Questions d'Ouverture ou de Réflexion

1. Pourquoi un moteur électrique a-t-il généralement un facteur de puissance inductif (inférieur à 1) ?

2. Quelles sont les conséquences d'un faible facteur de puissance pour le réseau électrique et pour le consommateur ?

3. Comment peut-on améliorer le facteur de puissance d'une installation contenant de nombreux moteurs ? (Indice : condensateurs).

4. Le rendement d'un moteur varie-t-il en fonction de la charge mécanique qui lui est appliquée ? Expliquez.

5. Quels sont les différents types de pertes d'énergie dans un moteur électrique qui contribuent à un rendement inférieur à 100% ?

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