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Machines tournantes et variation de vitesse

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Machines tournantes et variation de vitesse. Plan de la présentation. Motorisation. Principe de fonctionnement des moteurs électriques. Machine à courant continu. Machine à courant variable. Uniquement machine asynchrone. Mise en œuvre des machines. Commande des machines.

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Presentation Transcript
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Plan de la présentation

  • Motorisation
  • Principe de fonctionnement des moteurs électriques
  • Machine à courant continu
  • Machine à courant variable
  • Uniquement machine asynchrone
  • Mise en œuvre des machines
  • Commande des machines
  • Conversion alternatif/continu
  • Conversion alternatif/alternatif
  • démarreur statique
  • convertisseur de fréquence
slide3

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines

Une vision simple mais efficace de la machine tournante

Dipôle magnétique N°2 en rotation autour du même axe fixe 

Dipôle magnétique N°1 avec possibilité de rotation autour d'un axe fixe 

Lié à l'arbre sur lequel il y a production de couple

Magnétisation principale (mais pas nécessairement tournante) de la machine

Modèle électromécanique de toutes les machines tournantes

slide4

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines

Magnétisation principaletournante : machines synchrones et asynchrones

Machine synchrone : le dipôle magnétique tournant est réalisé à l'aide d'un circuit électrique tournant et parcouru par du courant continu

Machine asynchrone : le dipôle magnétique tournant est réalisé à l'aide d'un circuit électrique triphasé fixe et parcouru par la production de courants alternatifs sinusoïdaux déphasés de 2/3 dans chaque phase

La roue polaire ou inducteur tournant

Le stator triphasé de la machine

slide5

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines

Magnétisation principalefixe : machines à courant continu

Machine à courant continu : le dipôle magnétique fixe est réalisé à l'aide d'un circuit électrique fixe et parcouru par du courant continu ou grâce à un aimant permanent

Etat magnétique permanent de la MCC grâce à l'inversion électromécanique collecteur-balais

slide6

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines

Résumé de la vision simple :

machines synchrones et asynchrones

machines à courant continu

Les deux aimants "fictifs" sont en rotation

Les deux aimants "fictifs" sont fixes

Dans tous les cas une seule partie mécanique en mouvement : le rotor

slide7

S

N

S

N

entrefer

S

N

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines

Modèle adapté à la magnétisation des machines tournantes

Roue polaire lisse de MS

Une phase statorique de MAS

Inducteur de MCC

slide8

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines

Contraintes sur les bobinages magnétisants

Pour toutes les machines, le choix de bobinage magnétisant va fortement influencer les principaux paramètres de fonctionnement

Dans tous les cas la définition du nombre de paires de pôles (p) conditionne la vitesse de rotation nominale de la machine : en effet, la variation de flux, génératrice de FEM dans les conducteurs actifs, est d'autant plus fréquente, pour une géométrie donnée que p est élevé

La loi de Lentz (1), intégrée sur l'espace et le temps donne pour toutes les machines la valeur de la FEM (E en Volts) qui intervient dans le schéma électrique équivalent

MAS et MS

MCC

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n = f/p

(1)

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines

Si qm définit le mouvement relatif des conducteurs magnétisants devant les conducteurs actifs, on peut définir, dans l'étude mathématique de toutes les machines qe = p.qm qui ramène l'étude d'une machine p-polaire (2p pôles) à une machine dipolaire; électriquement, la machine p-polaire voit mécaniquement p magnétisations dipolaires

qm = qe/p donne par dérivation par rapport au temps la relation fondamentale des machines synchrones et asynchrones (1) :

slide10

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesProduction du couple

Une fois la magnétisation de l'entrefer de la machine réalisée, on obtient la production de couple (moteur ou résistant) en plaçant des conducteurs actifs (dipôle ou 2p-pôles magnétiques N°2) dans cet entrefer

Remarque fondamentale : ces conducteurs actifs se comportant également comme des aimants, ils modifient l'état magnétique d'origine (réaction magnétique d'induit); développer les conséquences dues à ces à ces modifications demanderait une approche plus détaillée du sujet

De même que pour la magnétisation, même si dans le principe la production de couple est identique pour toutes les machines, il est nécessaire de les aborder chacune séparément pour bien en comprendre le mécanisme

slide11

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesProduction du couple MCC

Les conducteurs rotoriques (induit) sont électriquement reliés par l'intermédiaire du collecteur et des balais soit à une alimentation continue (fonctionnement en moteur) soit à la charge électrique à alimenter (fonctionnement en générateur)

Dans le fonctionnement en moteur, ils sont donc parcourus par un courant fourni par l'alimentation et font du rotor un dipôle magnétique (placé dans le champ magnétique inducteur principal) et qui va produire du couple

Dans le fonctionnement en génératrice, ils sont entraînés par une machine d'entraînement et sont alors le siège de courants induits

slide12

(2)

Pméca = T.n

(3)

Soit E = k.n

(1)

(4)

Pélec = U.I

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesProduction du couple MCC

MCC, moteur ou générateur

Dans les deux cas, le fonctionnement de la machine et les caractéristiques du couple sont régis, en régime permanent par les 4 équations

Et le bilan de puissance

Pméca = Pélec

slide13

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesProduction du couple MCC

en régime dynamique

Schéma équivalent

Résistance d'induit

Inductance d'induit

FEM

i(t)

R i(t)

L di/dt

E

u(t)

u = R i + L di/dt + E

slide14

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesProduction du couple MCC

Les équations précédentes conduisent aux résultats fondamentaux de la MCC

E = k.n

Pilotage de la vitesse par la tension aux bornes de l'induit

T = k.I

Pilotage du couple par le courant dans l'induit

T = k/r(U-k.n)

Soit le réseau de caractéristiquescouple-vitesse à courant magnétisant donné et pour différentes tensions d'induit

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Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesProduction du couple MAS

Les conducteurs rotoriques (barres d'aluminium coulées dans la carcasse métalliques du rotor ou rotor bobiné avec bobinage identique à celui d'un stator) voient à la mise sous tension de la machine une variation de champ magnétique (le champ tourne / au rotor qui est encore à l'arrêt) .

Elles sont donc le siège de courants induits qui d'après la loi de Lentz s'opposent par leurs effets à la cause qui leur a donné naissance. Le rotor entre donc en rotation pour "rattraper" le champ tournant. Il y a bien eu production de couple (fonctionnement en moteur).

Tant qu'il y a écart entre les 2 vitesses de rotation, le phénomène précédent se poursuit jusqu'à atteindre le point de fonctionnement mécanique (W où Tm = Tr) et W < Ws

Dans le fonctionnement en générateur, il faut entraîner le rotor à une vitesse supérieure à celle du synchronisme

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Inductance de fuites statorique

Résistance statorique

Inductance de fuites rotorique

Résistance rotorique

Puissance électrique active transmise au rotor fournissant la puissance mécanique sur l'arbre

Inductance magnétisante

Pertes fer

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesProduction du couple MAS

Schéma équivalent pour une phase, en régime triphasé équilibré

slide17

T = f(W)

Couple fonction de la vitesse

T = f(g)

Couple fonction du glissement

W<0 ou g>1; T>0 fonctionnement en frein

0<W< Ws ou 0<g<1; T>0 fonctionnement en moteur

W> Ws ou g<0; T<0 fonctionnement en génératrice

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesProduction du couple MAS

On montre, en utilisant des considérations de conservation énergétiques électro-mécaniques du stator vers le rotor qui prennent en compte les pertes dans la machine , que la caractéristique quasi-statique couple vitesse à l'allure suivante :

Point de fonctionnement nominal

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Ieff = f(g)

T = f(Ieff)

Courant efficace fonction du glissement

Couple fonction du courant efficace

W<0 ou g>1; T>0 fonctionnement en frein

0<W< Ws ou 0<g<1; T>0 fonctionnement en moteur

W> Ws ou g<0; T<0 fonctionnement en génératrice

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesProduction du couple MAS

Corollaires électriques : contrairement à l'idée reçue, le courant efficace absorbé par chacune des phases de la machine n'est pas directement proportionnel au couple fourni

slide19

Contrôle des machinesMCC

Fonctionnement naturel :

La variation de vitesse est obtenue par variation de tension d'induit au moyen d'une source de tension d'induit autonome

soit par source de tension d'induit fixe : par exemple auto-transformateur et pont redresseur à diodes

soit par source de tension d'induit tournante : groupe Ward-Léonard; une machine asynchrone entraîne une génératrice à courant continu qui alimente l'induit de la MCC (coûteux car 3 machines mais souplesse d'utilisation)

L'action sur l'excitation permet les inversions de sens de rotation ou encore peut assurer certains modes de freinage

slide20

Contrôle des machines par variateurMCC, conversion alternatif/continu

Fonctionnement commandé 2 possibilités :

1/ Redressement commandé par pont tout thyristor ou pont mixte (forte puissance)

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I, T

Générateur

Moteur

U, n

Moteur

Générateur

Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu

Possibilité de fonctionnement dans les 4 quadrants électro-mécaniques

slide22

Evolution des différentes grandeurs en conduction continue et discontinue

Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu

2/ Redressement non commandé par pont à diode + hacheur (faible puissance)

Fonctionnement de principe sur hacheur dévolteur

La source de tension est assurée par un redresseur à diodes

Ici aussi possibilité, de fonctionnement dans les 4 quadrants

slide23

40

30

Courant

20

10

0

17

1

0.8

0.6

0.4

0.2

10

Glissement

150

100

Couple (Nm)

50

0

I(g)

T(g)

17

1

0.8

0.6

0.4

0.2

10

Glissement

Contrôle des machinesMAS

Fonctionnement naturel

Le fonctionnement naturel de la MAS correspond à son couplage direct sur le réseau mais il est souvent utile de prévoir des procédures de démarrage pour limiter les courants d'appel au cours de cette phase

Les plus usuels sont :

Moteurs à cage

Démarrage étoile triangle :les enroulements statoriques sont dans un premier temps placés sous tension simple puis, dans un second temps, grâce un système approprié de contacteurs, placés sous tensions composées

slide24

Contrôle des machinesMAS

Fonctionnement naturel

Démarrage avec résistances statoriques

Démarrage en utilisant l'effet pelliculaire sur des cages à encoches profondes ou à double cage

Moteurs à rotor bobiné :

Les 3 phases rotoriques sont couplées à des résistances qui sont progressivement éliminées au cours du démarrage

slide25

Schéma structurel

Ondes de tension

Contrôle des machines par démarreur électroniqueMAS, conversion alternatif/alternatif

Fonctionnement commandé

Pour le démarrage : solution économique par gradateur à angle de phase triphasé

slide26

SCHEMA DE PRINCIPE (sans selfs)

i

I

Is

M

e1

C

e2

e3

Contrôle des machines par variateur MAS , conversion alternatif/alternatif

Fonctionnement commandé

Commande par variateur : pont redresseur à diodes ou thyristors + onduleur à modulation de largueur d'impulsion à IGBT

Le commutateur, selon la logique de contrôle et de commande qui lui est associé peut fonctionner selon deux modes :

  • U/f constant
  • Contrôle vectoriel de flux
slide27

Contrôle des machinesMAS , conversion alternatif/alternatif

Fonctionnement commandé

U/f constant : ce mode de fonctionnement utilise les résultats exposés dans le document 1 : à excitation constante (U/f = cte), les caractéristiques de la machine se translatent les unes par rapport aux autres

Ce contrôle se fait soit en boucle ouverte (peu précis), soit avec un retour vitesse qui permet l'asservissement

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Analyse spectrale

Forme d'onde MLI

Contrôle des machinesMAS , conversion alternatif/alternatif

Fonctionnement commandé

Contrôle vectoriel de flux : un calculateur assure en temps réel la séparation du courant magnétisant et du courant actif nécessaires pour commander la machine en vitesse ou en couple et génère la commande MLI adaptée

Les transistors IGBT du pont onduleur sont alors commandés pour fournir à la machine les ondes de tension qui conviennent pour correspondre à la consigne

slide29

Conséquences CEM basses fréquences sur les distributions électriques lors de la mise en œuvre de variateurs de vitesseCommunes à la MCC et à la MAS

Dans les deux cas, conséquences CEM de la présence de l’étage redresseur assurant la conversion alternatif- continu : Génération de courants harmoniques basse fréquences (multiples du 50 Hz) sur la distribution

Formes d ’ondes et analyses spectrales tension-courant en amont d ’un variateur de vitesse continu

slide30

Conséquences CEM basses fréquences sur les distributions électriques lors de la mise en œuvre de variateurs de vitesseCommunes à la MCC et à la MAS

Formes d ’ondes et analyses spectrales tension-courant en amont d ’un variateur de vitesse asynchrone

slide31

Conséquences CEM moyennes fréquences sur les distributions électriques lors de la mise en œuvre de variateurs de vitessePropres à la MAS

Du fait de la fréquence de découpage élevée (entre 5 et 15 kHz) nécessaire pour fabriquer les ondes MLI en aval des variateurs, les ondes de courant remontant vers l’amont de la distribution présentent des composantes spectrales sur cette fréquence et ses harmoniques radio-fréquence (100 à 400 kHz)

slide32

Conséquences CEM moyennes fréquences sur les distributions électriques lors de la mise en œuvre de variateurs de vitessePropres à la MAS

Solution : mise en œuvre de filtres RFI