Moteur synchrone à pôles lisses non saturé

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1 Moteur synchrone à pôles lisses non saturé Suite CHAPITRE I DOCUMENT COMPOSÉ À PARTIR DU COURS DU PR.VIAROUGE GEL-3001 Automne

2 I. Rappel GEL-3001 Automne

3 Génération du couple électromagnétique Stator immobile avec système de bobinages fixe associé F s Fr Rotor tournant par rapport au stator (équipé d aimants permanents ou de bobinages) - Le système de bobinage & d alimentation du stator crée une FMM tournante F s par rapport au stator - Le système de bobinage & d alimentation du rotor crée une FMM tournante F r par rapport au stator - Les deux forces magnétomotrices qui donne naissance à une 3 ème (F), résultante des 2 premières. -> Condition pour avoir un couple: même vitesse, même sens de rotation et déphasage entre les FMM GEL-3001 Automne

4 Génération d un champ tournant d intensité fixe au stator (Ex: Triphasé) L induit d une machine triphasée et son alimentation: - 3 conducteurs déphasés spatialement de 120 électrique - Source d alimentation sinusoïdale triphasée équilibrée: des courants d amplitude A, de fréquence f s et déphasés temporellement de 120. Le résultat d un système de conducteur triphasé alimenté par une source triphasée sinusoïdale équilibrée est une force d amplitude fixe tournant à la fréquence f s et prenant toutes les positions entre 0 et 360 -> Induit GEL-3001 Automne

5 Génération d un champ de vitesse nulle et d intensité fixe au rotor Cette force est caractérisée par: - Une amplitude fonction de l intensité du champ d excitation : Champ magnétique (aimants) Nombre de spire N (électroaimants) Intensité du courant i(t) (électroaimants) - Un axe: colinéaire à l axe magnétique de l aimant ou à l axe d enroulement de l électroaimant - Un sens: du sud vers le nord de l aimant ou de l électroaimant S N N H H -> Inducteur GEL-3001 Automne

6 II. Principe de fonctionnement d un moteur synchrone GEL-3001 Automne

7 Principe de fonctionnement d un moteur synchrone entraînant une charge φ s P e Circuit magnétique φ r φ = Ф s + Ф r Alimentation électrique (V s, Ω s ) Alimentation DC (I f ) Ex: électro-aimant I f Induit (k spire) Inducteur (n spires) F s F r Couple électromagnétique moteur Charge mécanique (φ et θ 0) ԦF = F s + F r Alimentation électrique Moteur Synchrone Charge mécanique GEL-3001 Automne 2018 Puissance 7

8 Couple et lignes d equi-flux d un moteur synchrone entrainant une charge F s tend à accélérer le rotor (F r ). F r tend à ralentir le F s. La charge applique un couple résistant sur l arbre moteur. Contrairement au fonctionnement générateur, en fonctionnement moteur, F s est toujours en avance sur F r -> le signe de θ change donc le signe du couple change. F s S N ԦF F r s T e m 3p VsE X s s sin T em GEL-3001 Automne

9 III. Démarrage d un moteur synchrone GEL-3001 Automne

10 Cage d amortisseurs au rotor des machines synchrones La cage d amortisseurs (cage d écureuil) est équivalente à un système triphasé d enroulements en court-circuit solidaires du rotor. Elle permet : 1. Démarrage en asynchrone du moteur synchrone (avec I r =0) 2. Amortir les oscillations du couple ou de et accentuer le couple de rappel pendant un régime transitoire Améliorer la stabilité dynamique - en régime permanent (W s ) : amortisseurs inactifs (pas de variation de flux) - en régime transitoire (vitesse varie) : variation du flux, création des courants induits dans la cage création d un couple de rappel «Synchronisant» (qui s oppose à la cause qui lui donne naissance) GEL-3001 Automne 2018

11 Démarrage du moteur synchrone Fonctionnement en asynchrone (I r =0) avec cage d amortisseurs Conditions initiales - p=2 - Vitesse du rotor Ω r nulle - Mise sous tension (60Hz) -> φ s et F s Réaction des barreaux - Flux variable perçut par chaque barreau dφ -> e bar = dt - Barreaux court-circuités -> établissement de courant I bar = e bar /Z bar de même fréquence que e bar - Passage d un système de courant polyphasé dans un système de conducteurs polyphasé -> Production d une FMM F bar d amplitude fixe et tournant à la fréquence de I bar F s F r Évolution de la fréquence de I bar - N r =0 -> f Ibar =60Hz -> F bar (Ω s ) - N r =600 rpm -> f Ibar = ( )p/60-> F bar (Ω s ) - N r =1200 rpm -> f Ibar = ( )p/60-> F bar Ω s - N r 1800 rpm -> f Ibar 0 GEL-3001 Automne

12 Cage amortisseurs au rotor des machines synchrones Pôles saillants Pôles lisses Barres d amortisseurs insérées dans les pôles rotor Anneaux de court-circuit des Barres d amortisseurs GEL-3001 Automne 2018

13 IV. Modèle du moteur synchrone à pôles lisses non saturée GEL-3001 Automne

14 Modèle de Behn-Eschenburg Lorsque la machine synchrone à pôles lisses fonctionne en condition d équilibre, il est possible d étudier son fonctionnement grâce au modèle monophasé linéaire de Behn-Eschenburg. jx s R s Générateur consommant de la puissance réactive Q moteur consommant de la puissance réactive E E Fonctionnement moteur (convention récepteur machine) തE: FEM à vide (V) ഥ :Courant de ligne (A) ഥE : FEM en charge (V) V s Alimentation Générateur produisant de la puissance réactive Machine étudiée en convention récepteur V s :Tension ligne neutre (V) X s :Réactance synchrone de la phase (Ω) R s :Résistance de la phase (Ω) Moteur produisant de la puissance réactive P GEL-3001 Automne

15 V. Étude du fonctionnement d un moteur sur excité GEL-3001 Automne

16 Modèle de la génératrice synchrone à pôles lisses non saturée jx s R s Les équations du circuit sont: ഥE = V s R s ഥ jx s ഥ ഥE = V s R s ഥ = ഥE + jx s ഥ sens P>0 À partir de ces équations, il est possible de tracer le diagramme vectoriel pour les cas de fonctionnement réels lorsque la machine est étudiée en convention générateur. sens Q>0 Machine étudiée en convention récepteur e dr dt e' d dt GEL-3001 Automne

17 Diagramme vectoriel moteur sur excité (Rs non négligée) Rappels: Les déphasages courant-tensions est défini de à V s et de à E Les composants passifs placés dans le circuit sont étudiés en convention récepteur: - pour une inductance, le courant est en retard de π Τ2 sur la tension à ces bornes - pour une capacité, le courant est en avance de π Τ2 sur la tension à ces bornes - pour une résistance, le courant est en phase avec la tension à ces bornes Le fonctionnement réel impose: (En prenant V s comme référence) P>0 (moteur) -> E en retard sur E Q>0 (moteur sous excité) ->R(E) < E GEL-3001 Automne

18 Étape 1: Identification de l angle φ entre à V s Comme P>0 et Q>0: Cela implique que 0 < φ < Attention au sens de φ πτ 2 P = V s cos φ > 0 donc cos φ > 0 Q = V s sin φ < 0 donc sin φ > 0 ഥE = V s R s ഥ jx s ഥ Ω s V s GEL-3001 Automne

19 Étape 2: Identification du vecteur de la tension aux bornes de la résistance R s Le vecteur de la tension V r est colinéaire avec le vecteur de courant : V r = R s Ω s V s Ω s V s R s GEL-3001 Automne

20 Étape 3: Identification du vecteur de la FEM en charge E ഥE = V s R s ഥ Ω s V s E R s GEL-3001 Automne

21 Étape 4: Identification du vecteur de la tension aux bornes de l inductance L s Le courant est en retard sur la tension de π Τ2 : V l = L s d dt ഥE = ഥE + jx s ഥ Ω s R s Ω s V s V s E R s E jx s direction de jx s GEL-3001 Automne

22 Étape 4: Identification du vecteur de la tension aux bornes de l inductance L s Équation du circuit : V l = L s d dt ഥE = ഥE + jx s ഥ direction de jx s Ω s R s Ω s V s V s E R s E jx s GEL-3001 Automne

23 Étape 5: Identification du vecteur de la FEM à vide E ഥE = ഥE + jx s ഥ R s Ω s V s E E jx s GEL-3001 Automne

24 Relation entre les grandeurs électriques du modèle et les grandeurs magnétiques Lorsque la machine est étudiée en convention récepteur: e(t) = dφ r dt avec E = ω s φ r E est en avance sur φ r de π Τ2. L angle est comptabiliser de E vers φ r Le vecteur de la force magnétomotrice F r est colinéaire avec le vecteur du flux magnétique φ r : F r = R circuit φ r L axe magnétique de ces deux grandeurs magnétique est l axe des pôle de la machine. GEL-3001 Automne

25 Relation entre la FEM à vide E et le flux magnétique φ r généré par l inducteur Ω s +p/2 F r F r est une image de la position des pôles du rotor (roue polaire) E F r GEL-3001 Automne

26 Relation entre la FEM en charge E et le flux magnétique résultant φ Lorsque la machine est étudiée en convention générateur: e (t) = dϕ dt avec E = ω s φ E est en avance sur φ de π Τ2. L angle est comptabiliser de E vers φ Le vecteur de la force magnétomotrice F est colinéaire avec le vecteur du flux magnétique φ: ԦF = R circuit φ F +p/2 E R circuit : réluctance du circuit magnétique F GEL-3001 Automne

27 Relation entre le courant de ligne et le flux magnétique φ s généré par l induit Le vecteur flux magnétique φ s est colinéaire avec le vecteur de courant : φ s = L s avec φ s = L s Le vecteur de la force magnétomotrice F s est colinéaire avec les deux autres vecteurs: F s = R circuit φ s F s F s GEL-3001 Automne

28 Diagramme magnétique F F r F s F s F s Couple moteur T em W s F Fr Fs F Couple moteur exercé sur rotor Couple exercé sur Fr par Fs ou couple sur Fr par F F r F F r GEL-3001 Automne

29 Diagramme électrique et magnétique (Rs non négligée) F s V s F s E R s F jx s F r F F F r F s F Fr Fs E F r E' E jx s GEL-3001 Automne

30 Relation entre fonctionnement et diagramme vectoriel (avec résistance negligée) Qu observe t-on sur le diagramme en fonction du fonctionnement réel (indépendant de la convention choisie): Puissance active: - Fonctionnement générateur -> E (et F r ) en avance sur V s (et F) - Fonctionnement moteur -> E (et F r ) en retard sur V s (et F) F s F F s y V s jx s Puissance réactive: - Débite sur une charge inductive ->R(E) > Vs - (R(F r ) > F ) - Débite sur une charge capacitive R E < Vs - (R(F r ) < F ) F r F r F E GEL-3001 Automne

31 Bilan des puissances à partir du diagramme Q O V s jx s Q cos Valeurs algébriques OP OQ X X s s I I s s cos sin X X s s P 3V Q s P 3V s E P En convention récepteur: Q Q réactive pple à OQ X s 3V s Valeurs algébriques de P & Q sont effectivement >0 lorsque la machine synchrone consomme effectivement de la puissance active et de la puissance réactive fournie par le réseau infini P active pple à OP X s P 3V s Convention récepteur impose donc l orientation des axes de P & Q (sens >0 des P & Q) GEL-3001 Automne

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