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Conseil et formation en ingénierie électrique Machines tournantes et variation de vitesse.

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Présentation au sujet: "Conseil et formation en ingénierie électrique Machines tournantes et variation de vitesse."— Transcription de la présentation:

1 Conseil et formation en ingénierie électrique Machines tournantes et variation de vitesse

2 2 Plan de la présentation 4Motorisation 4Commande des machines 3Machine à courant continu 3Machine à courant variable 3Principe de fonctionnement des moteurs électriques - Uniquement machine asynchrone 3Conversion alternatif/alternatif 3Conversion alternatif/continu - démarreur statique - convertisseur de fréquence 4Mise en œuvre des machines

3 3 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines Une vision simple mais efficace de la machine tournante Dipôle magnétique N°1 avec possibilité de rotation autour d'un axe fixe Dipôle magnétique N°2 en rotation autour du même axe fixe Modèle électromécanique de toutes les machines tournantes Magnétisation principale (mais pas nécessairement tournante) de la machine Lié à l'arbre sur lequel il y a production de couple

4 4 Magnétisation principale tournante : 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 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines

5 5 Magnétisation principale fixe : 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

6 6 Résumé de la vision simple : Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines machines synchrones et asynchrones Les deux aimants "fictifs" sont en rotation machines à courant continu Les deux aimants "fictifs" sont fixes Dans tous les cas une seule partie mécanique en mouvement : le rotor

7 7 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines Modèle adapté à la magnétisation des machines tournantes Une phase statorique de MAS Roue polaire lisse de MS Inducteur de MCC NS NS NS entrefer

8 8 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation 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 MSMCC

9 9 Si m définit le mouvement relatif des conducteurs magnétisants devant les conducteurs actifs, on peut définir, dans l'étude mathématique de toutes les machines e = p. m 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 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines m = e /p donne par dérivation par rapport au temps la relation fondamentale des machines synchrones et asynchrones (1) : n = f/p (1)

10 10 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production 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

11 11 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production 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

12 12 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production 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 Pméca = Pélec Et le bilan de puissance (2) Pméca = T.n(3) Pélec = U.I (4) (1)Soit E = k.n

13 13 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production du couple MCC en régime dynamique Schéma équivalent i(t) R i(t)L di/dtE u(t) u = R i + L di/dt + E Résistance d'induit Inductance d'induit FEM

14 14 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production du couple MCC Les équations précédentes conduisent aux résultats fondamentaux de la MCC T = k.I T = k/r(U-k.n) E = k.n Pilotage de la vitesse par la tension aux bornes de l'induit Pilotage du couple par le courant dans l'induit Soit le réseau de caractéristiques couple-vitesse à courant magnétisant donné et pour différentes tensions d'induit

15 15 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production 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). Dans le fonctionnement en générateur, il faut entraîner le rotor à une vitesse supérieure à celle du synchronisme 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 ( où Tm = Tr) et < s

16 16 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production du couple MAS Schéma équivalent pour une phase, en régime triphasé équilibré Résistance statorique Inductance de fuites statorique Inductance magnétisante Pertes fer Inductance de fuites rotorique Résistance rotorique Puissance électrique active transmise au rotor fournissant la puissance mécanique sur l'arbre

17 17 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production 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 : T = f( ) Couple fonction de la vitesse T = f(g) Couple fonction du glissement 1; T>0 fonctionnement en frein 0 0 fonctionnement en moteur > s ou g<0; T<0 fonctionnement en génératrice Point de fonctionnement nominal

18 18 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production 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 1; T>0 fonctionnement en frein 0 0 fonctionnement en moteur > s ou g<0; T<0 fonctionnement en génératrice Ieff = f(g) Courant efficace fonction du glissement T = f(Ieff) Couple fonction du courant efficace

19 19 Contrôle des machines MCC 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

20 20 Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu Fonctionnement commandé 2 possibilités : 1/ Redressement commandé par pont tout thyristor ou pont mixte (forte puissance)

21 21 Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu Possibilité de fonctionnement dans les 4 quadrants électro-mécaniques U, n I, T Moteur Générateur

22 22 Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu 2/ Redressement non commandé par pont à diode + hacheur (faible puissance) La source de tension est assurée par un redresseur à diodes Fonctionnement de principe sur hacheur dévolteur Evolution des différentes grandeurs en conduction continue et discontinue Ici aussi possibilité, de fonctionnement dans les 4 quadrants

23 23 Contrôle des machines MAS 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 : 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 Glissement Couple (Nm) Glissement Courant T(g) I(g) Moteurs à cage

24 24 Contrôle des machines MAS 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 Fonctionnement naturel

25 25 Contrôle des machines par démarreur électronique MAS, conversion alternatif/alternatif Fonctionnement commandé Pour le démarrage : solution économique par gradateur à angle de phase triphasé Schéma structurel Ondes de tension

26 26 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 SCHEMA DE PRINCIPE (sans selfs) C e1 e2 e3 M iIIs

27 27 Contrôle des machines MAS, conversion alternatif/alternatif 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 Fonctionnement commandé Ce contrôle se fait soit en boucle ouverte (peu précis), soit avec un retour vitesse qui permet l'asservissement

28 28 Contrôle des machines MAS, conversion alternatif/alternatif 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 Fonctionnement commandé 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 Forme d'onde MLI Analyse spectrale

29 29 Conséquences CEM basses fréquences sur les distributions électriques lors de la mise en œuvre de variateurs de vitesse Communes à la MCC et à la MAS Dans les deux cas, conséquences CEM de la présence de létage 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

30 30 Conséquences CEM basses fréquences sur les distributions électriques lors de la mise en œuvre de variateurs de vitesse Communes à la MCC et à la MAS Formes d ondes et analyses spectrales tension-courant en amont d un variateur de vitesse asynchrone

31 31 Conséquences CEM moyennes fréquences sur les distributions électriques lors de la mise en œuvre de variateurs de vitesse Propres 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 lamont de la distribution présentent des composantes spectrales sur cette fréquence et ses harmoniques radio-fréquence (100 à 400 kHz)

32 32 Conséquences CEM moyennes fréquences sur les distributions électriques lors de la mise en œuvre de variateurs de vitesse Propres à la MAS Solution : mise en œuvre de filtres RFI

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