Conversion de puissance chapitre 3 : Conversion électro-magnéto-mécanique

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1 Conversion de puissance chapitre 3 : Conversion électro-magnéto-mécanique Notions et contenus 3. Conversion électro-magnéto-mécanique 3.1. Contacteur électromagnétique en translation Énergie et force électromagnétique. Applications Machine synchrone Structure d un moteur synchrone à pôles lisses et à excitation séparée. Champ magnétique dans l entrefer. Champ glissant statorique. Champ glissant rotorique. Énergie et couple. Condition de synchronisme. Modèle électrique de l induit. Capacités exigibles Exprimer l énergie magnétique d un enroulement enlaçant un circuit magnétique présentant un entrefer variable. Calculer la force électromagnétique s exerçant sur une partie mobile en translation en appliquant l expression fournie F ( E / x). i Sur l exemple du relais, expliquer le fonctionnement d un contacteur électromagnétique. Décrire la structure d un moteur synchrone diphasé et bipolaire : rotor, stator, induit, inducteur. Pour une machine de perméabilité infinie à entrefer constant, exprimer le champ magnétique dans l entrefer généré par une spire passant dans deux encoches opposées. Expliquer qualitativement comment obtenir un champ dont la dépendance angulaire est sinusoïdale dans l entrefer en associant plusieurs spires décalées. Justifier l existence d un champ glissant statorique lorsque les deux phases sont alimentées en quadrature. Justifier l existence d un champ glissant rotorique associé à la rotation de l inducteur. Exprimer l énergie magnétique totale stockée dans l entrefer en fonction de la position angulaire du rotor. Calculer le moment électromagnétique s exerçant sur le rotor en exploitant l expression fournie E / Justifier la condition de synchronisme entre le champ statorique et le champ rotorique afin d obtenir un moment moyen non nul. Discuter qualitativement la stabilité du système en fonction du déphasage entre les deux champs glissants. Identifier la difficulté du démarrage d un moteur synchrone, décrire qualitativement le principe de l autopilotage. En admettant les expressions des coefficients d inductance, établir les équations électriques vérifiées par les phases de l induit et donner les représentations de Fresnel associées. À l aide d un bilan énergétique où seules les pertes

2 Fonctionnement réversible. Applications Machine à courant continu Structure d un moteur à courant continu à pôles lisses. cuivre sont envisagées, justifier l égalité entre la puissance électrique absorbée par les fcem et la puissance mécanique fournie. Décrire les conditions d utilisation de la machine synchrone en alternateur. Citer des exemples d application de la machine synchrone. Décrire la structure d un moteur à courant continu bipolaire à excitation séparée : rotor, stator, induit, inducteur. Collecteur. Par analogie avec le moteur synchrone, expliquer que le collecteur établit le synchronisme entre le champ statorique stationnaire et le champ rotorique quelle que soit la position angulaire du rotor. Couple et fcem. Citer l expression du moment du couple i, établir l expression de la fcem induite e par un argument de conservation énergétique. Décrire qualitativement les pertes existant dans une machine réelle : pertes cuivre, pertes fer, pertes mécaniques. Établir les équations électrique et mécanique. Tracer la caractéristique, à tension d induit constante. Fonctionnement réversible. Applications. Analyser le démarrage d un moteur entraînant une charge mécanique exerçant un moment f. Mettre en œuvre un moteur à courant continu. Décrire les conditions d utilisation de la machine à courant continu en génératrice. Choisir des conventions d orientation adaptées. Citer des exemples d application de la machine à courant continu.

3 I. Contacteur électromagnétique Le relais

4 II. MACHINES SYNCHRONES La machine synchrone est le générateur d énergie électrique par excellence, celui qui alimente les réseaux transportant l énergie sous forme de tensions alternatives sinusoïdales, on l appelle alors alternateur. Les centrales de production d énergie électrique sont équipées d alternateurs triphasés. De l alternateur de bicyclette délivrant seulement quelques watts à l alternateur de centrale nucléaire fournissant 1,6 GW le principe de fonctionnement et les modélisations classiques sont relativement semblables. Comme toutes les machines électriques tournantes, la machine synchrone est réversible et peut également fonctionner en moteur délivrant des puissances de 10 kw à 10 MW. Les moteurs des paquebots à propulsion électriques sont des machines synchrones autopilotées d une puissance unitaire de 20 MW. Actuellement, le moteur le plus puissant du monde est un moteur de 100 MW entraînant les ventilateurs d une soufflerie appartenant à la NASA. 1 Moteur électrique synchrone de la 3008 Hybride de Peugeot (2012) Stator = circuits d induits Rotor = circuit Inducteur, réalisé à l aide d aimants permanents sur cette photo

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6 1) Principe Une machine synchrone est une machine pour laquelle la vitesse de rotation du rotor est égale à la pulsation des courants électriques qui parcourt les fils bobinés sur le stator. Un champ magnétique permanent peut, en tournant, entraîner à la même vitesse que lui, une aiguille aimantée, un aimant ou un électroaimant (alimenté en continu) : c'est le principe du moteur synchrone. Une machine synchrone est composée de 2 éléments majeurs stator, la machine, siège du courant induit, les tensions et courants sont souvent importants. c'est aussi le siège de forces électromotrices. rotor, la partie mobile étant l'inducteur. L'enroulement porté par cette pièce est destiné à être alimenté en continu 2) Champ magnétique tournant, vecteur glissant Animation : 3) Description de la machine synchrone diphasée bipolaire à excitation séparée à pôles lisses Le modèle du programme : = Circuit d induit = Circuit inducteur Le matériau constituant le stator et le rotor est magnétique linéaire de perméabilité relative infinie L épaisseur de l entrefer est constante. On se place dans le cadre d étude d une machine à pôles lisses (par opposition à pôles saillants) La machine comporte trois circuits électriques : C 1 et C 2 circuits d induits statoriques, alimentés en courant alternatif sinusoïdal de même fréquence en quadrature C 3 circuit inducteur du rotor alimenté en courant continu

7 4) Expression du champ magnétique dans l entrefer a) Le champ magnétique statorique

8 b) Le champ magnétique rotorique 5) Le couple électromagnétique a) Expression de l énergie magnétique dans l entrefer b) Expression du couple électromagnétique c) Rôle de l angle entre les champs magnétiques rotorique et statorique : moteur synchrone, alternateur synchrone d) Stabilité du moteur synchrone animation : moteur_synchrone.exe

9 e) Démarrage du moteur synchrone 6) Equation électrique du moteur synchrone a) Expression de la tension aux bornes du rotor : b) Expression de la tension u(t) aux bornes d une phase du stator et représentation de Fresnel 7) Bilan énergétique du moteur synchrone 8. Fonctionnement en alternateur :

10 Principes d électrotechnique, Max Marty, Daniel Dixneuf, Delphine Garcia Gilabert, Dunod 2005 Michel Lajoie-Mazenc, directeur de recherche émérite au CNRS, LEEI-ENSEEIHT/INPT

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12 III. MACHINES A COURANT CONTINU 1er convertisseur électro magnéto mécanique réversible. Commande en vitesse simple, mais l existence d un contact mécanique entre rotor et stator entraine une usure et une limitation en puissance et en vitesse. A faible puissance : jouets, ventilateurs A forte puissance : machines outils, TGV Sud Est 1. Structure du moteur à courant continu bipolaire à excitation séparée a. Le stator En moyenne le champ magnétique statorique est colinéaire à Ox dans l entrefer.

13 b. Le rotor Dans les encoches des conducteurs de cuivre sont parcourus par des courants Ici, le courant dans le bobinage du stator est nul. Lignes de champ créées par le bobinage du rotor parcouru par un courant constant. En moyenne ce champ est colinéaire à Oy dans l entrefer. c. Le collecteur : pourquoi les champs statorique et rotorique sont-ils perpendiculaires?

14 fichier MCC.mov

15 Schéma électrique en fonctionnement moteur en régime permanent : Ecem = force contreélectromotrice du moteur Equation électrique : U = RrIm + Ecem em = Im Couple électromécanique Equation mécanique : 0 = em + Ccharge (Ccharge = - f - ut) Schéma électrique en fonctionnement générateur en régime permanent : em = - IG Couple électromécanique reçu par le rotor Equation mécanique : 0 = em + Ccharge ( mec = em + f) EG = force contreélectromotrice de la génératrice Equation électrique : U = - RrIG + EG

16 Stator Rotor Champ magnétique statorique Champ magnétique rotorique Condition de synchronisme Comparaison machine synchrone, machine à courant continu Machine synchrone Alimentation sinusoïdale à la pulsation s Excitation : alimentation continue ou aimants permanents Tournant à la vitesse de rotation s Tournant à la vitesse de rotation R du rotor s = R Machine à courant continu Excitation : alimentation continue ou aimants permanents Alimentation continue Stationnaire Stationnaire Les deux champs sont perpendiculaires pour optimiser le couple Induit Stator Rotor Inducteur ou excitateur Rotor Stator Démarrage Besoin d aide Pas besoin d aide