Cycle 5: Etude et modélisation des chaines de conversion électromécanique

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1 Cycle 5: Etude et modélisation des chaines de conversion électromécanique Chapitre 3 : Machines asynchrones (moteur et génératrice) Freinage des moteurs Au sein d un système complexe pluri-technologique, l ingénieur doit être capable de caractériser l association convertisseur statique et machine en vue de sa modélisation puis sa conception. Quels sont les modèles des machines CC, synchrone et asynchrone? Comment piloter ces machines en couple et en vitesse? B. Modéliser - Caractériser le comportement de l association convertisseur-machine et charge - Caractériser la réversibilité de la chaine d énergie - Identifier les quadrants de fonctionnement d une chaine d énergie - Définir les modèles de connaissance et comportement des machines à CC, asynchrone et synchrone Modélisation de la machine asynchrone page 1/11

2 1. Le moteur asynchrone Le moteur asynchrone est de beaucoup le moteur le plus utilisé (80% des machines) dans l ensemble des applications industrielles, du fait de sa facilité de mise en oeuvre, de son faible encombrement, de son bon rendement et de son excellente fiabilité. (moteur plateau Indexa, moteur barrière Sympact) Ce moteur peut, selon sa construction, être relié par son circuit inducteur à un réseau électrique alternatif monophasé ou triphasé. Les moteurs triphasés présentent pour une masse donnée des performances jusqu à 50 % supérieures à leurs homologues monophasés. L entretien du moteur asynchrone est plus simple que dans le cas d un moteur à courant continu, car il n a ni collecteur, ni balais. Inconvénient : Son seul point noir est l énergie réactive, toujours consommée pour magnétiser l entrefer. Les caractéristiques de courant absorbé et de couple de cette machine sont bien connues (voir courbes types ci joint). Elles font apparaître très clairement une pointe d intensité de 5 à 10 fois In ainsi qu un à-coup de couple au démarrage. La pointe d intensité est nuisible pour le réseau d alimentation et il sera quelquefois nécessaire de la réduire. L à-coup de couple est gênant pour la mécanique entraînée il peut même avoir des conséquences destructives. Gamme de puissances : La gamme de puissance couverte par les machines asynchrones est très étendue : de quelques watts pour des moteurs synchrones monophasés aux 36,8 MW des moteurs à cage d écureuil des futurs porte-avions britannique de la classe «HMS Queen Elisabeth». Propulsion intégrée tout-électrique (IFEP) développée par Converteam dotée de deux lignes d'arbres, entrainées chacune par deux moteurs asynchrones. L AIM a un poids de 110 tonnes environ!! Machine asynchrone triphasée (MAS) page 2/11

3 2. Structure du MAS Un moteur asynchrone a le même type de stator qu'un moteur synchrone (triphasé, éventuellement monophasé) et on a un champ tournant créé par le stator alimenté en courant alternatif. Seul le rotor diffère (fonctionnement par induction) : circuits conducteurs refermés sur eux-mêmes champ tournant / cage f.é.m. d'induction dans la cage courant induits dans la cage force de Laplace dans la cage couple stator sur rotor 2 types de rotor : rotor "à cage d'écureuil" = barres conductrices en aluminium en "court circuit" (pas de collecteur pour alimenter le rotor pas d'usure) ; bobinage de grosse section (faible résistance) Faible puissance rotor bobiné à bagues en court circuit : des balais arrivent aux bagues, permettant d'insérer des résistances dans le circuit Forte puissance Le système des courants induits ne peut fonctionner que s'il y a vitesse relative entre le champ tournant du stator / rotor (ou cage). Donc, pour qu'un couple soit généré, il doit y avoir glissement, entre la vitesse de synchronisme n S du champ et la vitesse de rotation n R du rotor. D'où le nom de MOTEUR ASYNCHRONE Machine asynchrone triphasée (MAS) page 3/11

4 3. Symboles 4. Fonctionnement Voir GDA : animations 5. Raccordement au réseau plaque à bornes Les constructeurs indiquent en général deux tensions sur la plaque signalétique du moteur. La plaque à bornes permet d accéder à la connexion des 6 bornes correspondant aux extrémités des 3 enroulements du MAS afin de les alimenter et de les coupler. Il existe plusieurs possibilités pour raccorder les enroulements d un MAS au réseau triphasé, les principales sont: - Le couplage étoile - Le couplage triangle Le choix du couplage sera déterminé par le type de réseau, le type de démarrage, mais surtout par la tension maximale à ne pas dépasser sur un enroulement. Il est fait en usine ou réaliser sur la plaque à bornes à l aide de barrettes par l utilisateur. Machine asynchrone triphasée (MAS) page 4/11

5 6. Notion de couple thermique d un moteur électrique (Cth) Le couple thermique (Cth) est le couple efficace qui correspond au service donné. Il représente l échauffement global du moteur pour réaliser le cycle demandé. Pourquoi déterminer Cth? Pour valider le choix d une motorisation par rapport à son utilisation. Calcul sur une période : Conditions de validité : Les conditions pour valider le choix du moteur sont : -les couples max du cycle < au couple max ou impulsionnel du moteur -les vitesses du cycle sont atteignables par le moteur -le Cth < Cn ou permanent ou couple en service S1 Exemple : Le cycle périodique ci-dessous correspond aux contraintes appliquées à une motorisation d un système de transfert de tapis roulant. 7. Schéma monophasé équivalent Machine asynchrone triphasée (MAS) page 5/11

6 8. Bilan des puissances 9. Caractéristiques couples/vitesses Cmax Id Cu (Nm) I (A) Zone utile Cd In Cn 0 1 s 0 g (rd/s) Les caractéristiques C() et I() traduisent trois propriétés importantes : - le couple de démarrage (Cd) sous tension nominale est très important - durant le fonctionnement normal (zone utile), la vitesse reste très voisine de la vitesse de synchronisme (g=0) - le courant de démarrage (Id) est très élevé par rapport au courant nominal Nous retiendrons simplement en 1 ère approximation, que le couple C em (ou C) est proportionnel au carré de la tension d alimentation si la fréquence f est constante. Si f constante : C em = K.U Notions de puissance active et réactive Circuits à courant continu : Dans les circuits à courant continu, l'expression de la puissance électrique (dite aussi apparente) est très simple : P = U.I (en watts) Exemple : Une machine à café qui demande 3 ampères sous 220 volts développe une puissance de : P = U x I = 220 x 3 = 660 watts. Sa consommation énergétique, si elle chauffe en continu durant 2 heures, sera de : 660 x 2 = 1320 Wh = 1,32 kwh Machine asynchrone triphasée (MAS) page 6/11

7 Circuits à courant alternatifs : Dans les circuits à courant alternatif, le calcul est un peu plus complexe. En alternatif, il existe trois types de récepteur : des résistances, inductances, des condensateurs. Or, seule la résistance va effectivement développer de la puissance! En moyenne, une inductance pure (un bobinage de moteur) ou un condensateur pur ne consomment rien au réseau, ils ne font pas tourner le disque du compteur. Et pourtant, ils appellent du courant! On pourrait comparer cette situation à celle d'un ressort qui doit être tendu par une force oblique : la composante perpendiculaire au chemin de déplacement "F" ne produit aucun effet, aucun travail. Et pourtant, la force est bien réelle! Lorsqu'une installation appelle 10 ampères au réseau, il ne faudra considérer dans ce courant que la composante qui est en phase avec la tension, qui agit en synchronisme avec le réseau : on parle de composante active ou de courant actif. Force F ne produit aucun travail C'est ce courant qui va développer de la puissance, encore appelée puissance "active". De là, la formule de la puissance en alternatif : P = U x I x cos où "" (ou "phi") est le déphasage du courant / tension Exemple : Une lampe fluorescente est alimentée sous 220 volts alternatif. Un courant total de 0,3 ampère est mesuré. La lampe comporte un récepteur résistif, le tube lumineux, et un récepteur inductif, le ballast. Le courant total sera déphasé de phi = 60. Il est constitué par la somme de la composante en phase avec la tension pour le tube (I w ) et de la composante déphasée de 90 pour le ballast (I b ). La puissance est donnée par : P = U x I x cos phi P = 220 x 0,3 x cos 60 P = 220 x 0,3 x 1/2 P = 33 watts C'est la puissance "active" développée par la lampe. Le facteur "cos " s'appelle "facteur de puissance". Nous avons vu qu il était indiqué sur la plaquette électrique de la plupart des machines électriques. Machine asynchrone triphasée (MAS) page 7/11

8 Pour information : La puissance réactive n'a de puissance... que le nom! En fait, la seule puissance au sens mécanique du terme (l'expression d'un travail réalisé dans un temps donné), c'est la puissance active qui la fournit. La puissance réactive Q est définie par analogie: Q = U x I x sin Elle s'exprime en VAR, abréviation de "volt-ampère-réactif". Son intérêt provient du fait qu'elle permet d'évaluer l'importance des récepteurs inductifs (moteurs, lampes fluorescentes,...) et des récepteurs capacitifs (condensateurs,...) dans l'installation. En résumé : 11. Méthode de choix d une MAS Le choix d un MAS seul doit permettre l entrainement de la machine accouplée avec les performances imposées par le cahier des charges, à savoir : Le nombre de quadrants de fonctionnement Le couple sur toute la plage de vitesse (C=f(ῼ)) La vitesse désirée L accélération et la décélération souhaitées Et le respect des normes pour le réseau d alimentation énergétique : La puissance de démarrage disponible La consommation d énergie réactive Machine asynchrone triphasée (MAS) page 8/11

9 12. Démarrage du MAS Démarrage direct C est un procédé de démarrage simple obtenu en un seul temps, le stator du moteur est couplé directement sur le réseau. Le moteur démarre sur ses caractéristiques naturelles avec une forte pointe d intensité qui va provoquer une chute de tension. Ce dispositif permet de démarrer des machines même à pleine charge. Risque à coups au démarrage. Il est particulièrement indiqué pour des machines de petite et moyenne puissance: P < 6 KW Les composants utilisés : Sectionneur porte fusibles Contacteur Relai protection thermique Démarrage ETOILE-TRIANGLE Ce type de démarrage est réservé aux machines démarrant à vide ou dont le couple résistant est faible. Le démarrage E/T est conçu pour limiter le courant de ligne au démarrage. Ce démarrage s effectue en 2 temps : le MAS est alimenté sous tension réduite (étoile) puis sous pleine tension (triangle). Machine asynchrone triphasée (MAS) page 9/11

10 13. Un convertisseur réversible fonctionnement en génératrice - freinage Deux paramètres définissent le fonctionnement des systèmes donc des moteurs : le signe de la vitesse dépend du sens de rotation, le couple dépend de la charge qui peut être entraînée ou entraînante. Les quadrants définissent les zones de fonctionnement : Les machines électriques sont naturellement réversibles. Soit le variateur et la source sont également réversibles et l énergie est récupérée sur le réseau lors d une phase de freinage soit la source ne l est pas et dans ce cas l énergie est dissipée dans une résistance de freinage. Le choix d une structure convertisseur/machine 1, 2 ou 4 quadrants repose exclusivement sur le cahier des charges du système. Exemple de problématique (CDC) Machine asynchrone triphasée (MAS) page 10/11

11 Diverses méthodes sont utilisables pour freiner électriquement un moteur asynchrone : le freinage hyper synchrone avec renvoi d'énergie active au réseau le freinage en contre-courant par inversion du champ tournant, Freinage hyper synchrone Le fonctionnement en génératrice asynchrone a lieu, en particulier, toutes les fois où la charge devient entraînante à une vitesse supérieure à la vitesse de synchronisme, et que la machine est reliée au réseau. Exemples d utilisations de la génératrice asynchrone : - Turbine, éolienne. - Freinage contrôlé (à vitesse constante) lors du mouvement de descente d'un crochet de grue. Le fonctionnement en génératrice asynchrone assure le freinage par récupération à vitesse sensiblement constante si f = Cste On ne peut pas arrêter la charge!! Freinage par contre-courant Le principe consiste, après avoir isolé le moteur du réseau alors qu'il tourne encore, à le reconnecter sur le réseau en sens inverse. C'est un mode de freinage très efficace qui doit être arrêté suffisamment tôt pour éviter que le moteur ne reparte en sens inverse. Divers dispositifs automatiques sont employés pour commander l'arrêt dès que la vitesse approche de zéro : détecteurs d'arrêt à friction, détecteurs d'arrêt centrifuges, dispositifs chronométriques, etc. Ce mode de freinage est souvent intégré dans les variateurs de vitesses électroniques. Machine asynchrone triphasée (MAS) page 11/11