Conversion électromécanique. Machine Asynchrone 1 INTRODUCTION, DOMAINES D EMPLOI CONSTITUTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT...

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1 CI Machines électriques alternatives et leur contrôle Conversion électromécanique Machine Asynchrone 1 INTRODUCTION, DOMAINES D EMLOI... CONSTITUTION ET RINCIE DE FONCTIONNEMENT....1 VUE D ENSEMBLE ECLATEE (LEROY SOMER).... STATOR ET ROTOR RINCIE DU CHAM TOURNANT OUR UNE MACHINE ALTERNATIVE TRIHASEE ENTRAINEMENT ASYNCHRONE DU ROTOR (MACHINE A INDUCTION) RELATIONS DE BASES UTILES (USAGE DES NOTICES DE CONSTRUCTEURS) VITESSE DE SYNCHRONISME GLISSEMENT ET VITESSE ROTORIQUE COULE MOTEUR T (OU C), RELATIONS QUALITATIVES CARACTERISTIQUE MECANIQUE T U F(N) RACCORDEMENT AU RESEAU RINCIE LAQUE A BORNES ET COULAGES BILAN DE UISSANCE BILAN COMLET BILAN SIMLIFIE MODELISATION EN REGIME ERMANENT (SCHEMA SIMLIFIE EN I) CONTROLE DU MOTEUR ASYNCHRONE MOTEUR ALIMENTE A FREQUENCE FIXE V 1 MOTEUR ALIMENTE A FREQUENCE VARIABLE ET RAORT CONSTANT... 8 f

2 Conversion électromécanique : la machine asynchrone 1 INTRODUCTION, DOMAINES D EMLOI La machine asynchrone est un convertisseur électromécanique qui, ar sa simlicité de construction, sa robustesse, a conquis en un siècle tous les domaines des entraînements : à vitesse fixe, uis variable, et à contrôle de coule. lus de 80% de la uissance de motorisation électrique dans le monde corresond à l usage de machines asynchrones Les chams d alication sont nombreux, ils concernent aussi bien le domaine industriel (levage, convoyage, enroulagedéroulage, usinage, ventilation, omage, les transorts (trains, automobiles) que la génération d énergie (éolienne). On retiendra les symboles suivants utilisés dans les schémas électriques d ensemble, l alimentation se fait au stator. CONSTITUTION ET RINCIE DE FONCTIONNEMENT.1 Vue d ensemble éclatée (Leroy Somer) 1 Stator bobiné (3 enroulements) 6 laque signalétique Carter avec ailettes de refroidissement 30 et 50 Roulements 3 Rotor à cage (barreaux coulés en alliage + emilage de tôles ferromagnétiques) 74 Boite à bornes 7 Ventilateur entraîné ar le rotor age / 8

3 . Stator et rotor Conversion électromécanique : la machine asynchrone barreau Anneau de court circuit stator suortant le bobinage trihasé rotor à cage (siège de courants induits ar le stator).3 rincie du cham tournant our une machine alternative trihasée Le rincie de fonctionnement de la luart des machines tournantes à courant alternatif s'auie sur la création d'un cham magnétique tournant auquel est soumise une artie libre en rotation, le rotor. Le stator ou inducteur est constitué de trois enroulements (bobines) arcourus ar des courants alternatifs trihasés. Les 3 courants alternatifs équilibrés créent un cham magnétique tournant unique et constant (Théorème de FERRARIS). our le moteur asynchrone ou synchrone, on eut exliquer le cham tournant statorique à l aide de la figure ci-contre. Les trois enroulements sont alimentés ar des courants sinusoïdaux équilibrés : Ces courants créent à leur tour dans l axe de chacune des bobines les inductions ulsantes : B A (t) B max cos(ωt) B B (t) B max cos(ωt π/3) B C (t) B max cos(ωt 4π/3) Comme ces trois bobines sont décalées entre elle d un angle de π/3, our un oint décalé d un angle β de l axe de la bobine A on obtient l induction résultante : B (t) B max [(cos(ωt). cosβ) + cos(ωt π/3).cos(β π/3) + cos(ωt 4π/3). cos(β 4π/3) ] Soit arès simlification : (1) B (t) 3/.B max.(cos(ωt-β) Cette exression montre que : à un instant t donné, la réartition de l induction est sinusoïdale le long de l'entrefer (variation de β de 0 à π). our une osition donnée β 1, l induction varie de façon sinusoïdale au fil du tems. si le oint tourne à vitesse ω constante, soit β(t) ωt + β 0, l induction qu'il voit est constante. Animation : htts:// Construire le cham B à l instant où le courant est maximal dans la bobine A et our β0 Théorème de FERRARIS. Création du cham magnétique tournant L inventeur du moteur à induction NICOLAS TESLA (Wikiédia) Considéré comme l un des lus grands scientifiques dans l histoire de la technologie, our avoir déosé quelque 300 brevets couvrant au total 15 inventions (qui seront our beaucou d entre elles attribuées à tort à Thomas Edison) et avoir décrit de nouvelles méthodes our réaliser la «conversion de l énergie», Tesla est reconnu comme l un des ingénieurs les lus créatifs de la fin du XIX e et du début du XX e siècle. Quant à lui, il référait lutôt se définir comme un découvreur. age 3 / 8

4 Conversion électromécanique : la machine asynchrone.4 Entraînement asynchrone du rotor (machine à induction) Le cham tournant roduit ar le stator balaye le rotor. (figure ci-contre). Le rotor ou induit est alors le siège de fem induites (loi de Faraday), uis de courants si les conducteurs du rotor sont en circuits fermés. On distingue alors les situations de fermeture des courants induits : - ar une cage d écureuil, constitués de barres courtcircuitées aux extrémités ar des anneaux et sans liaison vers l extérieur (grande majorité des machines asynchrones), - ar un bobinage relié à l extérieur ar 3 bagues tournantes, ce qui ermet de modifier la caractéristique résistive du rotor donc le coule de la machine. Il existe donc un cham rotorique B r induit ar le cham statorique B s. C est l interaction entre ces chams qui est à l origine du coule électromagnétique (Cem). Seul un écart entre vitesse du rotor (N R/0 ) et vitesse du cham magnétique statorique (N S/0 ) ermet la variation de flux et donc l existence du coule. Une machine asynchrone fonctionne nécessairement avec un glissement our roduire un coule. En résumé : On alique un système de tensions trihasées équilibrées {V 1, V, V 3 } au stator, Ces tensions engendrent un système de courants trihasés équilibrés {i 1, i, i 3 } au stator, Ces courants engendrent un cham statorique B S tournant à la vitesse de synchronisme S ar raort au stator, Ce cham tournant engendre des f.e.m. {E' 1,...} dans les bobines rotoriques, Ces f.e.m. engendrent des courants {I' 1,...} dans le rotor qui doit être électriquement fermé, Ces courants engendrent un cham tournant rotorique B R,à la vitesse S ar raort au stator, L'interaction des deux chams B S et B R roduit le coule électromagnétique. La machine la lus simle à fabriquer, a le rincie le lus comlexe à exliquer 3 RELATIONS DE BASES UTILES (USAGE DES NOTICES DE CONSTRUCTEURS) 3.1 Vitesse de Synchronisme La vitesse de synchronisme et celle du cham tournant au stator, elle ne se voit as n vitesse du cham tournant /bâti en tr/s n f ω vitesse du cham tournant / bâti en rd/s nombre de aires de ôle magnétiques N vitesse du cham tournant / bâti en tr/min ω ulsation électrique (.π.f) en rd/s Exemles : Réseau 50 Hz : ôles N S/ tr/min; 4 ôles N S/ tr/min 1 ôles N S/0 500 tr /min Réseau 60 Hz : ôles N S/ tr/min; 4 ôles N S/ tr/min 1 ôles N S/0 600 tr /min age 4 / 8

5 3. Glissement et vitesse rotorique Conversion électromécanique : la machine asynchrone Le glissement est un écart de vitesse relatif, il s exrime souvent en %. Le glissement est fondamental dans le rincie du moteur N N S / 0 asynchrone, mais il est analogue au atinage d un g embrayage mécanique donc générateur de ertes élevées N S / 0 n (1 au rotor. ns / 0 g) C est ourquoi un MAS doit avoir un glissement très faible lors de son régime établi. 3.3 Coule moteur T (ou C), relations qualitatives A fréquence f constante : T K.U ² A fréquence f variable U T K. f Nous retiendrons simlement en remière aroximation, que le coule T est roortionnel au carré de la tension d'alimentation si la fréquence f est constante. Dans un cas de fonctionnement à fréquence variable, le coule T est roortionnel au raort U/ f au carré. 3.4 Caractéristique mécanique T u f(n) Elle met en relation la vitesse du moteur (tr/min en général) avec son coule (Nm). Les constructeurs indiquent en général : le coule nominal noté C n, T n ou M n le raort M D /M n (M D coule au démarrage) le raort M max /M n (M max coule maxi). Extrait d une notice de constructeur (Leroy Somer). Cette courbe eut également être rerésentée en fonction du glissement. 4 RACCORDEMENT AU RESEAU 4.1 rincie Les constructeurs indiquent en général deux tensions sur la laque signalétique du moteur. La tension la lus faible corresond à la tension d'emloi U e de chaque bobinage. a) Si le réseau d'alimentation trihasé à une tension entre fils de hases (tension comosée U) de même valeur que U e, on eut directement alimenter chaque bobinage sous cette tension. Le coulage qui en résulte est le coulage triangle. b) Si le réseau d'alimentation trihasé à une tension entre le neutre et chacun des fils de hases (tension simle V) de même valeur que Ue, la tension comosée du réseau est U V. 3 Ue. 3. On ne eut as alimenter directement chaque bobinage sous cette tension, le moteur utilisera le coulage étoile. age 5 / 8

6 Conversion électromécanique : la machine asynchrone 4. laque à bornes et coulages Coulage étoile Coulage triangle 5 BILAN DE UISSANCE 5.1 Bilan comlet a uissance électrique absorbée a 3UI cos ϕ js ertes ar effet joule au stator js 3.Rs I fs ertes fer au stator tr em uissance électromagnétique transmise au rotor Cem tr ΩS/ 0 Moment du glissent sur le rotor qui, lui, ne tourne qu à la vitesse ΩR/0. L action de l ensemble des coule électromagnétique forces électromagnétiques se réduit à un coule électromagnétique résultant de U : tension entre deux bornes du moteur I : courant en ligne Rs : résistance d un bobinage du stator Les ertes fer stator comrennent le ertes ar courants de Foucault (circulation de courants induits dans la masse métallique du stator), et les ertes ar hystérésis (basculement des grains magnétiques à chaque ériode de l induction magnétique). tr a js fs C est la uissance que reçoit le rotor. Les forces qui s exercent sur les conducteurs du rotor tournent à la vitesse ΩS/0 : elles moment : Le coule électromagnétique de moment Cem entraîne le rotor à la vitesse ΩR/0. Il lui communique donc la uissance mécanique totale M. M uissance mécanique totale fr ertes fer au rotor Ces ertes sont négligeables. jr ertes joules au rotor M CemΩ soit M tr ΩR/0 tr (1 g ) ΩS /0 Ces ertes sont les lus imortantes dans une MAS qui est une machine à rotor chaud (ar oosition à la.machine synchrone à rotor froid). jr + fr tr M tr tr (1 g ) gtr age 6 / 8

7 c C u ertes collectives Coule de erte uissance mécanique utile Conversion électromécanique : la machine asynchrone Ces ertes ne déendent que de U, f et n. Comme ces grandeurs sont généralement constantes, les ertes fer au stator et les ertes mécaniques le sont aussi. + c fs m Le coule de erte est constant quelle que soit la vitesse et la charge de la machine c C ; ; η u u M m Cu R / 0 u a 5. Bilan simlifié On ne retiendra que les ertes Joules rotor jr dans le modèle simlifié. ar conséquent, C C. u em 6 MODELISATION EN REGIME ERMANENT (SCHEMA SIMLIFIE EN I) jx m jl.ω m réactance de magnétisation, avec ω ulsation électrique OU jx jl.ω R R g réactance de fuite rotor résistance rotorique qui rerésente les ertes joules rotor cette résistance rerésente la uissance mécanique transmise au rotor R (1 g) cette résistance rerésente la uissance g mécanique transmise à la charge ; (résistance motionnelle) Ce modèle est établi our une hase, V est la tension simle (on imagine que la MAS est coulé en étoile). R (1 g) Toutes les uissances seront exrimées avec un facteur 3, ar exemle u Cu. 3.. I1 T g Il faut connaître le rôle de chaque élément du modèle et savoir exrimer les grandeurs mécaniques uissance et coule à artir des éléments V, L m, L, R et g. 7 CONTROLE DU MOTEUR ASYNCHRONE 7.1 Moteur alimenté à fréquence fixe A tension d'alimentation et fréquence fixées, le coule électromagnétique s'exrime ar la relation : C em g. R 3.. V1. ω R + ( L. ω. g) Les caractéristiques rotoriques étant fixées, le coule est : roortionnel au glissement our le fonctionnement normal en régime établi à faible glissement. Inversement roortionnel au glissement à fort glissement. Maximum our le glissement g M Coule électromagnétique en fonction du glissement age 7 / 8

8 Conversion électromécanique : la machine asynchrone On remarque que le glissement eut rendre des valeurs négatives (fonctionnement générateur, exemle : éolienne). g. R A artir de l exression : C em 3.. V1. R ( L.. g) on détermine g et la valeur maximum du coule M ω + électromagnétique C emmax(la valeur max est indéendante de R). ω 3 V1 C emmax.. avec L ω R g M L.ω La modification de R ermet de choisir la vitesse our laquelle le coule est maximum. Cette roriété est exloitée ar les MAS à rotor bobiné, dans les alications où un coule imortant est nécessaire à basse vitesse (concasseurs, levage), arallèlement à l usage de convertisseurs électroniques avec des MAS à cage. V 7. Moteur alimenté à fréquence variable et raort 1 constant f Avec un convertisseur d électronique de uissance, on eut fixer la vitesse et maintenir le coule du moteur asynchrone en agissant sur la fréquence et la valeur efficace des signaux (tensions statoriques) qui lui sont aliqués. Convertisseur our MAS trihasé (R redresseur et O onduleur autonome) On eut asservir la tension stator à la fréquence de telle sorte que le raort V 1 / f reste constant. Avec : De la relation on tire C em C em g g. R 3.. V1. ω R + ( L. ω. g) V1 3.. ω. R R..( + [ L..( )] Onde tension MLI obtenue (modulation BF et découage >>FBF) ) TE r r r 0 S S1 S0 r Avec cette stratégie, our R / 0 donné, le coule est maintenu constant ar l asservissement. Une action sur la fréquence statorique a alors our effet de modifier la valeur de s/0 et de faire subir à la courbe de coule une simle translation dans le lan C em, R/0. age 8 / 8

1.1) Stator ( inducteur )

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