Cours CEM 2. La conversion électromécanique d énergie. Période La machine asynchrone triphasée Conversion électromécanique Dynamique

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1 Cours Cycle 4 : Cours CEM 2 La conversion électromécanique d énergie TSI1 TSI2 Période La machine asynchrone triphasée Conversion électromécanique Dynamique Durée : 3 semaines X X 1- Introduction : 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 dispose d une réversibilité en puissance. Elle peut donc fonctionner en moteur où en générateur. 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. 5, 6 et 7 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 3 4,5 4 Lycée Jules Ferry Page 1 sur 10 TSI2

2 Symboles : Moteur asynchrone à Cage d écureuil Moteur asynchrone à Rotor bobiné 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. 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. Lycée Jules Ferry Page 2 sur 10 TSI2

3 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. 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 qui entraîne en rotation la partie mobile. Pour optimiser le couple moteur, il faudra maîtriser les amplitudes des courants statoriques et rotoriques ainsi que l angle delta. 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. Lycée Jules Ferry Page 3 sur 10 TSI2

4 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 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 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 : représente la puissance qui sera transmise du stator vers le rotor Lycée Jules Ferry Page 4 sur 10 TSI2

5 5-1 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. 5-2 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. " " " ' ' ' " ".(, ) 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% 5-3 Couple moteur C em, relations qualitatives : La puissance transmise du stator au rotor vaut. / 01.' où Cem est le couple électromécanique exercé par le stator sur le rotor et 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/g représentant la charge :. / 7..8 ² Par identification, des 2 expressions on obtient l'expression Cem= 3..? <.= 3. > : ; : <..A.B En écrivant la loi des mailles sur la branche représentant le rotor, on obtient : 8 C, D E FG En remplaçant 8 par son expression, on obtient l'expression qu'il ne faut pas connaitre mais qu'il faut savoir retrouver : C, ² '. D E FG ² 7. $. C, ² H..# D E FG ² Couple en régime nominal En régime nominal le glissement g étant très faible on obtient la simplification suivante (avec R/g>>X2) : $ H#.C,². On voit donc qu'en régime nominal, le couple est proprotionnel au glissement. Lycée Jules Ferry Page 5 sur 10 TSI2

6 Couple maximum On montre que le couple Cem est maximum lorsque D : ; < E I soit D : ; < E (J.K ). On obtient ainsi que expression du couple maximum à la vitesse K de la forme suivante (où K est une constante) : 1LM N.D O # E 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 contrôle la valeur du couple maximum. 5-4 Caractéristique mécanique T M = f(n) : 6- Modélisation de la machine asynchrone : 6-1 Bilan de puissance : On peut regrouper sur un diagramme les diverses pertes de puissance active en fonctionnement moteur : 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). L 7.O.8.PQ3R. / S 01 Ω. /. L. V. #. b S 01.'. b. /.(, ). V. /. b. /. /.(, ). V.. / 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. W XY (Z.[): couple transmis du stator au rotor \ (]^_.`a ): 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. W XY (Z.[): couple transmis du stator au rotor \ (]^_.`a ): vitesse de rotation du rotor g : glissement (0ded1) Pertes joules dissipées dans le rotor du fait des courants induits. Lycée Jules Ferry Page 6 sur 10 TSI2

7 6-2 Régimes de fonctionnement de la machine asynchrone : 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 Zone de fonctionnement (quatre quadrants) Lycée Jules Ferry Page 7 sur 10 TSI2

8 7- 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 7-1 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 f > A 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. 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 : bgg N.h C, # i Lycée Jules Ferry Page 8 sur 10 TSI2

9 7-2 Contrôle vectoriel de flux : Le contrôle vectoriel de flux permet de traiter les régimes transitoires ce que ne permettait pas de faire la commande scalaire. Le variateur à contrôle vectoriel de flux est apte à maîtriser le couple instantané. ( S 7..8, ².j 1 ². ²k(j 1.( )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) 8- Structure des variateurs de vitesse : Redresseur triphasé + filtre LC constituant une source de tension continue Onduleur de tension triphasé utilisant la modulation de largeur d impulsion (MLI) Le principe 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. Une tension sinusoïdale V m dite tension modulatrice est comparée à une tension triangulaire V p dite porteuse. Avec fp = m.f m = entier >> 1 Lycée Jules Ferry Page 9 sur 10 TSI2

10 On peut modifier la valeur efficace du signal MLI en modifiant la profondeur de modulation. Pour modifier la fréquence, il suffit de modifier la fréquence de l onde modulatrice. Exemple : Onduleur MLI triphasé commande scalaire : Lycée Jules Ferry Page 10 sur 10 TSI2

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