CH5 : Les machines alternatives

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1 BTS CRSA 2 ème année - Sciences physiques et chimiques appliquées CH5 : Les machines alternatives Objectifs : A l issue de la leçon, l étudiant doit : 5.1 Savoir décrire la conversion de puissance réalisée par une machine alternative 5.2 Connaître la signification des termes machine synchrone et machine asynchrone. 5.3 Savoir déterminer le couplage de l induit à partir de la plaque signalétique 5.4 Savoir calculer la vitesse de synchronisme, connaissant la fréquence d alimentation et le nombre de paires de pôles. 5.5 Savoir déduire la vitesse de synchronisme d un MAS connaissant sa vitesse de rotation nominale. 5.6 Savoir calculer le glissement d un moteur asynchrone 5.7 Connaître les relations entre les grandeurs d entrée et de sortie des machines alternatives 5.8 Savoir effectuer un bilan de puissance dans une machine alternative et calculer son rendement 5.9 Savoir déterminer un point de fonctionnement d un moteur alternatif à partir des caractéristiques mécaniques Savoir quel variateur de vitesse utiliser pour une machine alternative Etablir la fiche résumée de ce chapitre en vous aidant de l annexe de ce chapitre et de l annexe du TP8.

2 BTS CRSA 2 ème année - Sciences physiques et chimiques appliquées Annexe du CH5 : compléments sur les machines alternatives 1. Quelle est la conversion de puissance réalisée par une machine alternative? Il existe 2 types de machine alternative : la machine synchrone et la machine asynchrone. Une machine alternative est un convertisseur rotatif d énergie réversible : Energie électrique Moteur alternatif (MS ou MAS) Energie mécanique Energie mécanique Alternateur (MS ou MAS) Energie électrique Pertes Pertes La différence avec la MCC est que l énergie est sous forme alternative pour les MS et MAS. 2. Qu est-ce que le nombre p d une machine? C est le nombre de paires de pôles. Les machines les plus simples comprennent une paire de pôle : un pôle nord et un pôle sud (machine bipolaire ; p=1). La plupart des machines ont un nombre p généralement supérieur à Qu est-ce que la vitesse de synchronisme? C est la vitesse à laquelle tourne le champ tournant pour une machine alternative possédant 1 paire de pôles. Cette vitesse est notée n. Cette vitesse diminue avec le nombre de paires de pôles : elle dépend de p et de la fréquence f de la tension d alimentation : [tr/min] n s = 60f p [Hz] 4. Quel est le point commun entre la machine synchrone (MS) et la machine asynchrone (MAS)? Le stator est identique pour les 2 machines. Il est constitué de bobinages qui, alimentés en triphasé créent un champ tournant en fonctionnement moteur. 5. Quelle est la différence entre la MS et la MAS? Le rotor est différent pour les 2 machines. Pour la machine synchrone : Le rotor est constitué d un aimant ou d un bobinage alimenté en continu (électroaimant). En fonctionnement moteur, cet aimant, plongé dans un champ magnétique tournant, tourne à la vitesse de synchronisme (voir paragraphe 1 de l annexe du TP8) ; d où le qualificatif «synchrone» : n = n s

3 Pour la machine asynchrone : Le rotor est constitué de conducteurs court-circuités. Ces conducteurs sont le siège de courants induits qui entrainent la rotation du rotor sans jamais atteindre la vitesse de synchronisme (voir paragraphe 1 de l annexe du TP8) ; d où le qualificatif «asynchrone» : 6. Qu est-ce que le glissement? C est une grandeur définie pour le moteur asynchrone. A vide, le rotor tourne à une vitesse très proche du synchronisme. Plus on charge le moteur, plus la vitesse du rotor diminue : on dit qu il y a glissement. n n s Le glissement est quantifié par une grandeur notée g (sans unité) dont l expression est : g = n s n n s 7. Quelle est l expression du couple électromagnétique pour les 2 types de machine en fonctionnement moteur? Pour un moteur synchrone : Le modèle électrique équivalent par phase est le suivant : La source e du modèle équivalent de l induit correspond à l apparition d une fem induite dans les conducteurs du fait de la rotation du rotor (comme pour la MCC). On montre que le couple électromagnétisme dépend de la fréquence de v, des valeurs efficaces de v et de e et du déphasage θ entre ces 2 tensions : T em = 3VE π n s 30 sin θ Lω

4 Pour le moteur asynchrone : Le modèle équivalent par phase est le suivant : I I' X Avec : V R f I 0 X m r g R f : modélisation des pertes fer X m : réactance magnétisant (modélise flux traversant le stator et le rotor) r : modélisation des pertes joules au rotor ramenée au stator r/g : modélisation de la puissance transmise au rotor X : modélisation de l ensemble des flux de fuites On montre que le couple électromagnétisme a pour expression : T em = 3p π r V f 2 n s n Remarque : Si V/f est constant, on obtient une caractéristique mécanique linéaire dans la partie utile (droite décroissante comme pour la machine à courant continu). Ce qui explique que le variateur de vitesse d un MAS soit un onduleur fonctionnant à V/f constant. 8. Ces machines peuvent-elles fonctionner en alternateur? Il y a des applications en alternateur pour les 2 types de machine. Pour la MS : L alternateur synchrone est l application principale de la machine synchrone. Il est présent dans la grande majorité des centrales électriques. Le rotor alimenté en continu est entraîné par un dispositif annexe (turbine, éolienne, ). Le rotor crée ainsi un champ tournant qui fait apparaître des tensions induites aux bornes des bobinages du stator. Pour la MAS : Durant les phases de freinage, une MAS peut fonctionner en générateur. La vitesse de rotation est alors supérieure à la vitesse de synchronisme ; d où le nom de fonctionnement «génératrice hypersynchrone». On trouve également des MAS fonctionnant en alternateur dans l éolien, car ces machines sont moins sensibles à la variation de la vitesse du vent que les alternateurs synchrones.

5 9. Quelles sont les caractéristiques mécaniques des moteurs synchrone et asynchrone? La forme de la caractéristique mécanique d un MAS est donnée ci-dessous. La partie utile est une droite décroissante (comme pour la machine à courant continu). Pour la MS, la vitesse de rotation est égale à la vitesse de synchronisme quel que soit le couple. Attention cependant, si le couple est trop important, la machine peut «décrocher» ; c est-à-dire que le moteur cale (avec risque de surintensité). A fréquence constante, la caractéristique mécanique d un MS est donc une droite verticale : En changeant la fréquence, on obtient une nouvelle vitesse de synchronisme, et une caractéristique mécanique parallèle. 10. Comment faire varier la vitesse de ces 2 machines? Pour les 2 types de la machines, on peut utiliser le même variateur de vitesse (onduleur à V/F constant). On obtient alors plusieurs caractéristiques sous forme de droites parallèles.

6 MAS : MS : 11. Quel est le bilan de puissance d un moteur synchrone? Les pertes joules : Au stator : P js = 3RI 2 si couplage étoile ; P js = 3RJ 2 si couplage triangle ; P js = 3R m 2 2 Si le rotor est bobiné, il faut ajouter P jr = U e I e = ri e I2 quel que soit le couplage avec R m résistance mesurée entre 2 phases.

7 12. Quel est le bilan de puissance d un moteur asynchrone? Puissance transmise au rotor P a = 3UIcosφ P tr P u = T u Ω Pertes fer au Pertes joules stator au stator P fs P js Le moteur est le siège de pertes au stator : Pertes joules au rotor P jr Pertes mécaniques P méca les pertes joules au stator Pjs qui selon le couplage valent comme pour la machine synchrone : P js = 3RI 2 si couplage étoile ; P js = 3RJ 2 si couplage triangle ; P js = 3R m 2 Des pertes fer au stator : La puissance transmise au rotor : On la nomme P tr. I2 quel que soit le couplage avec R m résistance mesurée entre 2 phases. P fs = 3 V2 R f P tr = P a P js P fs Comme pour la machine à courant continu, on définit le couple électromagnétique : P tr = T em Ω s Sur le schéma équivalent, c est r/g qui rend compte de la puissance transmise au rotor : Le moteur est le siège de pertes au rotor : Remarque : P tr = 3 r g I 2 les pertes joules au rotor P jr. On montre que : P jr = gp tr des pertes mécaniques P méca (les pertes fer au rotor sont négligeables) Comme pour la machine à courant continu, on peut définir un couple perte tel que P méca = T p Ω. On a alors : T u = T em T p

8 13. Comment interpréter la plaque signalétique d un moteur asynchrone? La plaque signalétique comporte toujours deux tensions : Tension composée pour un couplage triangle/tension composée pour un couplage étoile. Il suffit de regarder la tension composée du réseau pour savoir quel couplage il faut utiliser. Exemple : Moteur 230V/400V Pour un réseau 230V/400V, U=400V on utilise le couplage étoile. Pour un réseau 130V/230V, U=230V on utilise un couplage triangle. On peut également déduire le nombre de paires de pôles de la plaque signalétique. En effet, comme n s = 60 f p donnée. Pour f=50hz, cela donne : la vitesse ne peut prendre que quelques valeurs pour une fréquence p n s (tr/min) etc. Or la vitesse de rotation du rotor nominale est toujours légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme. En lisant la vitesse nominale du rotor n N sur la plaque signalétique, on déduit, en utilisant le tableau ci-dessus, la vitesse de synchronisme en prenant la plus petite valeur de n s supérieure à n N. On en déduit la valeur du nombre de paires de pôles p correspondante. Exemple de la plaque ci-dessus : n N =1427 tr/min donc n s =1500 tr/min et p=2