C : Convertir Cours C-1.2 Moteur asynchrone (contrôle) Cours C-1.2. Le contrôle de la conversion électromécanique d énergie

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1 Cours 1 Introduction Cours C-1.2 Le contrôle de la conversion électromécanique d énergie TSI1 TSI2 Période La machine asynchrone triphasée Cycle 2 : Convertir - Transmettre Durée : 3 semaines X Le contrôle du fonctionnement d'une machine asynchrone se fait à partir du variateur qui va imposer : la valeur de la fréquence de la tension d'alimentation (dont dépend la vitesse de rotation du moteur), la valeur de la tension d'alimentation (dont dépend le couple moteur), éventuellement le déphasage entre le réseau triphasé de l'inducteur (stator) et celui de l'induit (rotor) si le rotor est bobiné (ce déphasage a un effet direct sur le couple moteur). X Réseau Tri 400 V Redresseur + onduleur Moteur asynchrone Analyser Modéliser Résoudre Expérimenter Concevoir Réaliser Communiquer Choisir une démarche de résolution % Savoirs faires associés bilan 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 bilan Lycée Jules Ferry Page 1 sur 6 TSI2

2 2 Régimes de fonctionnement de la chaine d'énergie La machine asynchrone est réversible et fonctionne indifféremment : en moteur (quadrant 1 et 3) : la puissance est positive car elle est absorbée par la machine, en génératrice (quadrant 2 et 4) : la puissance est négative car elle est fournie par la machine (phase de freinage ou génératrice d'électricité). L'onduleur est toujours réversible car il est composé d'interrupteurs bidirectionnels en courant (transistor + diode). Le redresseur PD3 n'est pas réversible puisqu'il est constitué de diodes non réversibles en courant. Lors des phases de freinage d'un moteur avec un redresseur PD3 l'énergie générée par le freinage des inerties en mouvement est : stockée dans le condensateur (ou supercondensateur ou batterie) dans la mesure de leur capacité ou dissipée dans une résistance de freinage qui convertit l'énergie reçue en chaleur. Enfin il est possible de remplacer les diodes du pont PD3 par des thyristors (le fonctionnement d'un thyristor est similaire à celui d'une diode mais il ne devient passant qu'en présence d'une tension de gachette). Les thyristors sont hors programme mais apparaissent à cette occasion dans certains sujets de concours. On peut ainsi monter en parallèle 2 ponts de thyristors inversés qui permettent d'obtenir un redresseur réversible. L'alimentation des courants de gachette d'un pont 1 permet de fonctionner en moteur et l'alimentation des courants de gachettes du pont 2 permet de fonctionner en génératrice (EDF impose des seuils concernant les harmoniques ce qui impose de placer un filtre LC entre les ponts redresseurs et le réseau EDF). Lycée Jules Ferry Page 2 sur 6 TSI2

3 3 Optimisation du rendement moteur Le graphique suivant est une illustration de l'expression de certaines puissances du moteur (dans le cas où l'on néglige les pertes mécaniques) : puissance utile 1.., puissance perdue par effet joule dans le rotor :... Ces expressions sont valables en fonctionnement moteur et générateur. C(N.m) moteur Ns Cmax R 2 diminue Point de fonctionnement Cd P utile N(tr.min) -1 g Cr pertes générateur g=1 g=0 g=-1 On constate donc que pour limiter les pertes par effet joule dans le stator il faut : faire travailler le moteur avec un glissement g réduit. faire en sorte que la caractéristique du moteur autour de g=0 soit la plus verticale possible. Cette pente dépend notamment de la valeur de la résistance rotorique du modèle équivalent de la machine synchrone. Cette résistance peut être modifiée dans le cas d'un rotor bobiné (en insérant des résistances supplémentaires dans le circuit d'alimentation de l'induit). Lycée Jules Ferry Page 3 sur 6 TSI2

4 4 Contrôle commande de la machine asynchrone On distingue deux techniques largement utilisées pour contrôler et commander les moteurs asynchrones triphasés : La commande scalaire : appelée contrôle en tension ou U/f constant, La commande vectorielle de flux : appelée contrôle en courant. 4.1 Contrôle scalaire Le schéma ci-dessous propose une structure de principe permettant le contrôle du couple en régime établi : - La source d énergie est le réseau EDF mono ou triphasé. - Le moteur est piloté par un onduleur de tension à modulation de largueur d impulsion. - Un capteur de vitesse permet d accéder à la grandeur Ω. - Un calculateur permet d élaborer la consigne de pulsation de l onduleur : ω S = pω ± ωr sera choisie en fonction du niveau de couple souhaité et l on prendra un signe + dans le cas d un fonctionnement moteur et le signe pour un fonctionnement en freinage. - ω S permet de fournir la consigne de tension V S pour l onduleur : V S = K.ω S et la consigne de fréquence. Ce type de commande correspond à un fonctionnement autopiloté au sens où la fréquence qui est générée par l onduleur est fonction de la vitesse réelle de la machine. Redresseur + onduleur MLI Agir sur la fréquence, modifie la vitesse de synchronisme ainsi que le point de fonctionnement. Pour une bonne maîtrise de l équipement, on cherche à conserver un couple moteur maximal constant :.! " La limitation du couple maximum induit une baisse de la puissance maximum du moteur. Le moteur ne peut ainsi fournir qu'une puissance utile réduite à faible vitesse. Lycée Jules Ferry Page 4 sur 6 TSI2

5 4.2 Contrôle vectoriel de flux Le contrôle vectoriel de flux permet de traiter les régimes transitoires ce que ne permet pas de faire la commande scalaire. Le variateur à contrôle vectoriel de flux est apte à maîtriser le couple instantané. * + # $.% ".& ².( ) ². % " ²,( ).* + ² Pour imposer ou contrôler le couple il faut : - Mesurer le courant statorique I 1 et la vitesse de rotation du rotor ω r (mesurés par des capteurs) - Connaître la résistance rotorique R 2 et l'inductance magnétisante Lm (fournis par les constructeurs ou par identification) 4.3 Génération des tensions triphasées Le principe de la génération des tensions triphasées par l'onduler consiste à commander les interrupteurs statiques de telle sorte à construire un signal alternatif que l on pourra moduler à la fois en amplitude et en fréquence. Redresseur triphasé + filtre LC constituant une source de tension continue Onduleur de tension triphasé utilisant la modulation de largeur d impulsion (MLI) Une tension sinusoïdale v m(t) dite tension modulatrice est comparée à une tension triangulaire v p(t) dite porteuse avec f p >> f où f p : fréquence de la porteuse et f : fréquence de la modulatrice 3 V p(t) V m(t) 3 - /011é. -. La valeur efficace V du signal MLI -. dépend de la profondeur de modulation m=v m/v p(on peut modifier la valeur efficace V m de la modulatrice par exemple ; V p étant la valeur efficace de la porteuse, fixe dans ce cas). La fréquence de la tension de sortie -. est celle de l onde modulatrice (cette fréquence est plus visible sur la tension moyennée - /011é. par période de la porteuse). Lycée Jules Ferry Page 5 sur 6 TSI2

6 Exemple : Onduleur MLI triphasé à commande scalaire : Référence : Lycée Jules Ferry Page 6 sur 6 TSI2