Machines tournantes et variation de vitesse 30/03/2017 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 Conversion alternatif/continu Conversion alternatif/alternatif démarreur statique convertisseur de fréquence

 Une vision simple mais efficace de la machine tournante Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation 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 

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines 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

Magnétisation principale fixe : machines à courant continu Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines 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

Résumé de la vision simple : Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation 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

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

Contraintes sur les bobinages magnétisants 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 MS MCC

Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation 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) : n = f/p (1)

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

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

MCC, moteur ou générateur 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 (2) Pméca = T.n (3) (1) Soit E = k.n Pélec = U.I (4) Et le bilan de puissance Pméca = Pélec

en régime dynamique u = R i + L di/dt + E Schéma équivalent Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production 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

Pilotage de la vitesse par la tension aux bornes de l'induit Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production 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 caractéristiques couple-vitesse à courant magnétisant donné et pour différentes tensions d'induit

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) . 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

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

Couple fonction de la vitesse T = f(g) Couple fonction du glissement 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(W) Couple fonction de la vitesse T = f(g) Couple fonction du glissement Point de fonctionnement nominal 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 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 Ieff = f(g) Courant efficace fonction du glissement T = f(Ieff) 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

Fonctionnement naturel : 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

Fonctionnement commandé 2 possibilités : 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)

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

Fonctionnement de principe sur hacheur dévolteur 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 Evolution des différentes grandeurs en conduction continue et discontinue Ici aussi possibilité, de fonctionnement dans les 4 quadrants

Fonctionnement naturel 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 : 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 1 0.8 0.6 0.4 0.2 10 17 50 100 150 Glissement Couple (Nm) 20 30 40 Courant T(g) I(g)

Fonctionnement naturel Contrôle des machines MAS 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

Fonctionnement commandé 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

Fonctionnement commandé 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  SCHEMA DE PRINCIPE (sans selfs) C e1 e2 e3 M i I Is 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

Fonctionnement commandé Contrôle des machines MAS , 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

Fonctionnement commandé Contrôle des machines MAS , 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 Forme d'onde MLI Analyse spectrale

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 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

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

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 l’amont de la distribution présentent des composantes spectrales sur cette fréquence et ses harmoniques radio-fréquence (100 à 400 kHz)

Solution : mise en œuvre de filtres RFI 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