1167859.ppt

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

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

3
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes
magnétisation des machines
Une vision simple mais efficace de la machine tournante
N
S
N
S
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
N
N
S
S


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

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

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

7
Modèle adapté à la magnétisation des machines tournantes
Une phase
statorique de MAS
Roue polaire
lisse de MS
Inducteur de MCC
N
S
N
S
N
S
entrefer

8
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
(1)
)
(
dt
t
e




MAS et MS MCC

 .
).
.
.
.
2
.(
.
22
,
2 f
m
q
p
K
E
pôle
un
sous
efficace
flux
on
alimentati
d'
fréquence
f
faisceau
un
dans
s
conducteur
de
nombre
m
encoches
d'
ou
faisceaux
de
nombre
q
pôles
de
paires
de
nombre
p
encoches
des
on
distributi
la
à
lié
t
coefficien

K


 .
.
.
2
.
2
n
N
E
a
p
pôle
un
sous
flux
(rd/s)
rotation
de
n vitessse
s
conducteur
de
nombre
total
N
t
enroulemen
d'
voies
de
nombre
a
pôles
de
paires
de
nombre
p


9
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)

10
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
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
MCC, moteur ou générateur


 .
.
.
2
.
2
n
N
E
a
p
pôle
un
sous
flux
(rd/s)
rotation
de
n vitessse
s
conducteur
de
nombre
total
N
t
enroulemen
d'
voies
de
nombre
a
pôles
de
paires
de
nombre
p

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
E
I
r
I
r
E
U



.
nt
généraleme
et
induit
d'
résistance
r
induit
d'
courant
I
induit,
l'
de
bornes
aux
tension
U
.
(2)
Pméca = T.n (3)
Pélec = U.I (4)
(1)
Soit E = k.n

13
en régime dynamique
Schéma équivalent
i(t)
R i(t) L di/dt E
u(t)
u = R i + L di/dt + E
Résistance d'induit
Inductance d'induit
FEM

14
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
0 1000 2000
0
50
100
Vitesse (tr/mn)
Couple
(N.m)
T( )
,
200 n
T( )
,
150 n
T( )
,
100 n
T( )
,
50 n
n

15
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 (W où Tm = Tr) et W < Ws

16
Schéma équivalent pour une phase, en régime triphasé équilibré
R1 L1 L2
R2
R2.(1-g)/g
Lm Rf
V1(t)
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
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 :
1000 0 1000 2000 3000 4000
50
0
50
Vitesse (tr/mn)
Couple
(Nm)
T = f(W)
Couple fonction de la vitesse
2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 2
50
0
50
Glissement
Couple
(Nm)
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
Point de fonctionnement nominal

18
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
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
2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 2
0
5
10
15
20
Glissement
Courant
Ieff = f(g)
Courant efficace fonction du glissement
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
60
40
20
0
20
40
Courant
Couple
T = f(Ieff)
Couple fonction du courant efficace

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
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)
+
-
e1
+
-
+
-
e2
+
-
+
-
e3
+
-
+
-
iK1
iK4
vK1
vK4
iK6
iK3
vK6
vK3
iK2
iK5
vK2
vK5
ie1
ie2
ie3
vI
I0
vI ie1
0  / 3 2  / 3  4  / 3 5  / 3 2  7  / 3 8  / 3 3  1 0  / 3 1 1  / 3 4 
0
iK3
iK2
vK3
vK2
iK1
vK1
iK4
vK4
E
+
-
+
- +
-
I
iE
vI
I

21
+
-
I
e1
+
-
+
-
e2
+
-
+
-
e3
+
-
+
-
vI
I
ie1
ie2
ie3
iK'1
iK'4
vK'1
vK'4
iK'6
iK'3
vK'6
vK'3
iK'2
iK'5
vK'2
vK'5
iK1
iK4
vK1
vK4
iK6
iK3
vK6
vK3
iK2
iK5
vK2
vK5
Pont n°1 Pont n°2
Possibilité de fonctionnement dans
les 4 quadrants électro-mécaniques
U, n
I, T
Moteur
Moteur
Générateur
Générateur

22
2/ Redressement non commandé par pont à diode + hacheur (faible puissance)
a
b
U
iU
iI
E
vK1
vK2
iK1
iK2
L R
vI
La source de tension est assurée
par un redresseur à diodes
Fonctionnement de principe sur
hacheur dévolteur
K1 K2 K1
t
0
K2
vc
E
Ec
T
T
t
0
ic
IcMAX
IcMIN
K1 K2 K1
t
0
K2
vc
E
Ec
T
T
t
ic
IcMAX
0
T '
Evolution des différentes grandeurs en conduction continue et discontinue
Ici aussi possibilité, de fonctionnement dans les 4 quadrants

23
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
1 0.8 0.6 0.4 0.2 10
17
0
50
100
150
Glissement
Couple
(Nm)
1 0.8 0.6 0.4 0.2 1017
0
10
20
30
40
Glissement
Courant
T(g) I(g)
Moteurs à cage

24
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
Contrôle des machines par démarreur électronique
MAS, conversion alternatif/alternatif
Fonctionnement commandé
Pour le démarrage : solution économique par gradateur à
angle de phase triphasé
TH1
TH’1
TH2
TH’2
TH1
TH’3
UTr1
UTr2
UTr3
V1 UTr1
V2
V3
O
VR1
VR2
VR3
N
I1
I2
I3
Schéma structurel
Phase 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
VR1
i
qi
Phase 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
VR2
i
qi
Phase 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
VR3
i
qi
Ondes de tension

26
MAS , conversion alternatif/alternatif
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
iI Is

27
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
2000 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000
50
0
50
Tm
,
1 g1
Tm
,
2 g1
Tm
,
3 g1
Tm
,
4 g1
Tm
,
5 g1
,
,
,
,
W ,
1 g1 W ,
2 g1 W ,
3 g1 W ,
4 g1 W ,
5 g1
Ce contrôle se fait soit en boucle ouverte (peu précis), soit avec un
retour vitesse qui permet l'asservissement

28
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

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 l’étage redresseur
assurant la conversion alternatif- continu : Génération de courants
harmoniques basse fréquences (multiples du 50 Hz) sur la distribution
0
50
100
150
200
250
300
350
Spectre V1 Spectre V2 Spectre V3
Volts
0 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10 11
12 13
14 15
16 17
18 19
20 21
0
50
100
150
200
250
300
Spectre I1 Spectre I2 Spectre I3
Ampères
0 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10 11
12 13
14 15
16 17
18 19
20 21
Formes d ’ondes et analyses spectrales tension-courant en amont d ’un
variateur de vitesse continu

30
Conséquences CEM basses fréquences sur les distributions
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
Conséquences CEM moyennes fréquences sur les distributions
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)
0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
30
20
10
0
10
20
30
21.708
22.292

I1i
0.045
5
 10
3

´ T1i
0 5000 1 .10
4
1.5 .10
4
2 .10
4
2.5 .10
4
0
2
4
6
8
6.744
6.078 10
4

´
SpectreIj
2.5 10
4
´
0 Fj

32
0 5000 1 .10
4
1.5 .10
4
2 .10
4
2.5 .10
4
0
2
4
6
8
6.138
4.141 10
4

´
SpectreI3j
2.5 10
4
´
0 Fj
0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
30
20
10
0
10
20
18.499
20.301

I2i
0.045
5
 10
3

´ T1i
j 0 2047
..
:
Ij I1j
: I3j I2j
:
Fj j
fe
2048

:
1.5 .10
4
1.6 .10
4
1.7 .10
4
1.8 .10
4
1.9 .10
4
2 .10
4
2.1 .10
4
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.515
0.03
SpectreIj
SpectreI3j
2.11 10
4
´
1.43 10
4
´ Fj
Conséquences CEM moyennes fréquences sur les distributions
Propres à la MAS
Solution : mise en œuvre de filtres RFI

1167859.ppt

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Similaire à 1167859.ppt

Similaire à 1167859.ppt (20)

Plus de TarakBenslimane

Plus de TarakBenslimane (7)

Dernier

Dernier (8)

1167859.ppt

Notes de l'éditeur