C : Convertir Cours C-1 Moteur asynchrone. Cours C-1. La conversion électromécanique d énergie

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1 Cours 1 Introduction Cours C-1 La conversion électromécanique d énergie TSI1 TSI2 Période La machine asynchrone triphasée Cycle 2 : Convertir - Transmettre Durée : 3 semaines X Les machines asynchrones sont très utilisées, on estime que 80% des moteurs de la planète sont des moteurs asynchrones car leur coût est inférieur à celui des autres machines, de plus ces machines sont robustes. Ce sont des convertisseurs électromécaniques d énergie (électrique mécanique) qui disposent d une réversibilité en puissance. Elle peut donc fonctionner en moteur où en générateur. X Réseau Tri 400 V Redresseur + onduleur Moteur asynchrone Symboles électriques : Moteur asynchrone à Cage d écureuil Moteur asynchrone à Rotor bobiné Analyser Modéliser Résoudre Expérimenter Concevoir Réaliser Communiquer Choisir une démarche de résolution Savoirs faires associés Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions, des puissances échangées, des énergies transmises ou stockées. Procéder à la mise en œuvre d'une démarche de résolution analytique % Savoirs faires associés Construire graphiquement les lois de l électricité à partir des vecteurs de Fresnel Déterminer les caractéristiques mécaniques de l actionneur Déterminer le point de fonctionnement Lycée Jules Ferry Page 1 sur 7 TSI2 5, 6 3 4,5 4

2 2 Constitution Un moteur asynchrone triphasé est constitué d une partie fixe ou stator, supportant le bobinage et d une partie tournante ou rotor ou les courants sont induits. Bagues rotoriques Le rotor bobiné est relié à l extérieur par 3 bagues tournantes. Reliées à des balais, cela permettra de modifier les caractéristiques électriques du rotor en vue de modifier le couple de la machine. Le rotor à cage d écureuil est constitué de barres court-circuitées aux extrémités par des anneaux et sans liaison vers la partie fixe. Il est de constitution plus simple mais ne permet pas de modifier les caractéristiques du rotor. Le stator ou inducteur est constitué de trois enroulements (bobines) parcourus par des courants alternatifs triphasés. Les 3 courants alternatifs équilibrés créent un champ magnétique tournant unique et constant (Théorème de FERRARIS). L accès à ces bobinages se fera par la plaque à bornes située sur le dessus du stator. Lycée Jules Ferry Page 2 sur 7 TSI2

3 3 Principe de fonctionnement Champ magnétique tournant : Le principe de fonctionnement de la machine asynchrone s'appuie sur la création d'un champ magnétique tournant auquel est soumise une partie libre en rotation appelée rotor. En réaction, le rotor va à son tour créer un champ magnétique. C'est l interaction entre ces champs qui est responsable de la rotation de la machine. Le stator, alimenté par un réseau triphasé de fréquence f, crée une induction tournante B S de vitesse n S. Les bobines statoriques sont géométriquement décalées de 120 Réseau triphasé de tensions déphasées de 120 t 1 t 2 t 3 Le champ magnétique de chacune des bobines est proportionnel à la tension qui l'alimente. Le cham Bs est la somme des 3 champs magnétiques : instant t 1 instant t 2 instant t 3 On constate que le champ Bs est bien un champ tournant qui fait un tour pour une période de la tension. Lycée Jules Ferry Page 3 sur 7 TSI2

4 Le rotor est balayé par cette induction et des forces électromotrices sont engendrées dans les conducteurs (loi de Faraday e = dφ/dt). Comme les circuits rotoriques sont fermés, des courants rotoriques prennent naissance et génèrent à leur tour un champ magnétique rotorique B r. L interaction entre B s et B r crée un couple électromécanique qui entraîne en rotation la partie mobile ( ). Pour optimiser le couple C em, il faudra maîtriser les amplitudes des courants statoriques et rotoriques ainsi que l angle δ (δ =π/2 pour le C em maximum). Pour qu il y ait couple, il faut donc : - que les circuits rotoriques soient fermés, - que la vitesse n prise par le rotor soit différente de la vitesse n S du champ magnétique inducteur. Si n = n S, les conducteurs tournent à la vitesse de l induction statorique, aucune f.é.m. n est induite, et par conséquent aucun courant ne circule dans le rotor : il ne peut y avoir de couple. L'origine du terme asynchrone est due à l écart de vitesse entre le champ tournant créé par le bobinage statorique et la rotation du rotor, nécessaire à l'existence d'un couple. Pour un moteur asynchrone à cage, les courants sont induits dans les barreaux de la cage d écureuil et se referment par les anneaux d extrémité du rotor. 4 Couplage des moteurs asynchrones Les constructeurs indiquent en général deux tensions sur la plaque signalétique du moteur. C est la tension la plus faible qui correspond à la tension nominale Un de chaque bobinage. Si le réseau d'alimentation triphasé à une tension entre phases (tension composée ) de même valeur que, on peut directement alimenter chaque bobinage sous cette tension. On réalise le couplage triangle. Si le réseau d'alimentation triphasé à une tension entre phase et neutre (tension simple ) de même valeur que, la tension composée du réseau est Le couplage utilisé sera le couplage étoile. Enroulement moteur Neutre si (car) les trois enroulements sont identiques Lycée Jules Ferry Page 4 sur 7 TSI2

5 5 Modèle électrique équivalent du moteur asynchrone Le fonctionnement étant en régime triphasé équilibré, on étudie seulement les grandeurs relatives à une phase. Toutes les grandeurs de puissances seront à multiplier par 3. V 1 I 1 I 2 I 10 X 1 X 2 " Eléments du modèle (une seule phase) : X 1 : réactance de magnétisation (L 1.ω s) X 2 : réactance de fuite du rotor ramenée au stator (L 2. ω s) R2 : résistance rotorique représentant les pertes joules ramenée au stator ω s : pulsation des courants statoriques g : glissement La puissance développée par la résistance " modélise la puissance électromécanique transmise du stator au rotor : # $% &..' " 6 Performances 6.1 Vitesse de synchronisme n s : vitesse de synchronisme en tr.s -1 (Ω s en rad.s -1 ) ( ) * +,-. ) / ) + f : fréquence d alimentation du moteur en Hz (ω en rads -1 ) p : nombre de paires de pôles de la machine p = 1, machine à 2 pôles ou bipolaire, n s = 50 tr.s -1 ou 3000 tr.min -1 p = 2, machine à 4 pôles ou tétrapolaire, n s = 25 tr.s -1 ou 1500 tr.min -1 p = 3, machine à 6 pôles ou hexapolaire, n s = tr.s -1 ou 1000 tr.min -1 etc. On remarque que la vitesse de synchronisme est imposée définitivement d une part à la construction du moteur, par le nombre de pôles 2p, et d autre part par la fréquence f du réseau d alimentation. 6.2 Glissement Le glissement g correspond à un écart relatif de vitesse entre champ tournant et vitesse du rotor. Ce glissement est indispensable à la création des courants induits au rotor pour l obtention du couple électromagnétique. " ( )0( 1 ( ). )0. 1. ) ( 1 ( ).340"5 En régime de fonctionnement normal g est très faible, de l ordre de quelques % environ. Exemple : Moteur 4 pôles N nominal = 1460 tr.min -1 On en déduit N s = 1500 tr.min -1 et g = ( )/1500 = 2,66% Lycée Jules Ferry Page 5 sur 7 TSI2

6 6.3 Couple moteur Cem, relations qualitatives : La puissance transmise du stator au rotor vaut # $% 6 $%.. ) où Cem est le couple électromécanique exercé par le stator sur le rotor et 78.9.: ; est la vitesse de synchronisme en rad/s qui dépend de la fréquence du courant f et du nombre de paires de pôles p Le modèle présenté plus haut nous permet d'écrire qu'il s'agit également de la puissance dissipée par la résistance R 2/g représentant la charge : # $% &..' " ² Par identification, des 2 expressions on obtient l'expression Cem= 3. A = > = >.C.B?..D.E En écrivant la loi des mailles sur la branche représentant le rotor, on obtient : ' F 4 G " H IJ En remplaçant ' par son expression, on obtient l'expression qu'il ne faut pas connaitre mais qu'il faut savoir retrouver : 6 $% &.. F 4 ² ". ). G " H IJ ² &. +. F 4 ² K.".* G " H IJ ² Couple en régime nominal En régime nominal le glissement g étant très faible on obtient la simplification suivante (avec R/g>>X2) : + 6 $% &. K*.F 4². " On voit donc qu'en régime nominal, le couple est proprotionnel au glissement. Couple électromécanique maximum On montre que le couple Cem est maximum lorsque G = >? H L soit G = >? H 3M.N 5. On obtient ainsi que expression du couple maximum à la vitesse N de la forme suivante (où K est une constante) : 6 %OP Q.G R * H U : tension entre phase f : fréquence de la tension Ce résultat sera utile pour expliquer le principe de la commande scalaire en tension qui permet de contrôler la valeur du couple maximum. 6.4 Caractéristique mécanique TM = f(n) : Lycée Jules Ferry Page 6 sur 7 TSI2

7 7 Bilan de puissance On peut regrouper sur un diagramme les diverses pertes de puissance active en fonctionnement moteur : f [\ Puissance électrique absorbée Pa (en W) Puissance électromagnétique transmise P em ou P tr (en W) Puissance mécanique totale P M (en W) Pertes joules au rotor P jr (en W) # O &.R.'.ST8U # $% V $% Ω ) # $% # O 0# Y) 0# *) # b V $%.. # b # $%.340"5 # Y1 # $% 0# b # $% 0# $%.340"5 # Y1 ".# $% U : Tension efficace entre phases I : courant efficace absorbé en ligne C est la puissance que reçoit le rotor en tenant compte des pertes joules stator et des pertes fer stator. Z [\ 3].5: couple transmis du stator au rotor ^ 3_`. a 5: vitesse de synchronisme Le couple électromagnétique de moment T em entraîne le rotor à la vitesse Ω. Il lui communique donc la puissance mécanique totale P M. Z [\ 3].5: couple transmis du stator au rotor ^ 3_`. a 5: vitesse de rotation du rotor g : glissement (0ded1) Pertes joules dissipées dans le rotor du fait des courants induits. Lycée Jules Ferry Page 7 sur 7 TSI2

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