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  1. 1. machine asynchrone
  2. 2. 1883 Nicolas Tesla (1856-1943) Histoire Nicolas Tesla conçoit son premier moteur à induction biphasé 350 W (à Strasbourg) premier moteur à induction machine asynchrone
  3. 3. Histoire XXe développement des actionneurs électriques machine asynchrone Par sa simplicité de construction, la machine asynchrone s’impose dans 80 % des applications industrielles dans toutes les gammes de puissance
  4. 4. Histoire 1995 Traction ferroviaire La machine asynchrone conquiert le domaine de la traction électrique. L’Eurostar est lancé à partir des années 1995. Ces trains sont équipés de machines asynchrones d’une puissance unitaire de 1 MW. Chaque train « Eurostar » possède 12 moteurs, soit une puissance maximum de 12,2 MW. machine asynchrone
  5. 5. machine asynchrone Applications
  6. 6. Entraînement de convoyeurs machine asynchrone les applications
  7. 7. Levage machine asynchrone les applications
  8. 8. Enrouleur dérouleur machine asynchrone les applications
  9. 9. Usinage et Robotique machine asynchrone les applications
  10. 10. Ventilation et pompage machine asynchrone les applications
  11. 11. machine asynchrone les applications Générateurs
  12. 12. Applications spécifiques machine asynchrone les applications
  13. 13. Automatisme et dialogue, bus de terrain machine asynchrone les applications
  14. 14. Les moteurs à haut rendement machine asynchrone les applications
  15. 15. machine asynchrone Catalogue
  16. 16. machine asynchrone Principe Interaction de deux champs Machine monophasée Champ pulsant Nécessité de créer une machine biphasée (spire de Frager, condensateur…) Machine triphasée Théorème de Ferraris à l’ordre 3
  17. 17. machine asynchrone Construction
  18. 18. Rotor à cage d’écureuil Tôle empilées Circuit Magnétique feuilleté Anneaux de court circuit Barreaux en Aluminium coulé machine asynchrone Construction
  19. 19. Stator Bobinage réparti des 3 phases Encoches du Circuit magnétique feuilleté logement des brins du bobinage Culasse Statorique moulée Tôle statorique détail d’une encoche machine asynchrone Construction
  20. 20. machine asynchrone Construction
  21. 21. Hélice d’auto ventilation Palier à roulement machine asynchrone Construction
  22. 22. encoches rotor La forme des encoches et leur profondeur, permet de modifier la caractéristique couple (vitesse) du moteur par effet pelliculaire ou Kelvin. [effet de peau (skin effect)] machine asynchrone Construction
  23. 23. machine asynchrone plaque Savoir interpréter les indications Vitesse en charge nominale Puissance utile mécanique Couplage
  24. 24. machine asynchrone caractéristiques Comportement mécanique
  25. 25. machine asynchrone caractéristiques Caractéristiques Couple-vitesse Très important
  26. 26. machine asynchrone caractéristiques Point de fonctionnement
  27. 27. machine asynchrone caractéristiques Charges type
  28. 28. machine asynchrone caractéristiques Charges type
  29. 29. p p f n S S ω = Ω = ou Vitesse de synchronisme Avec ns en tr/s et Ω Ω Ω Ωs en rd/s et p nombre de paires de pôles Le nombre de pôles (2 p) étant fixé dès la construction il en résulte des vitesses de synchronisme figées en fonction de la fréquence : • Réseau 50 Hz : 2 pôles Ns = 3000 tr/min; 4 pôles Ns = 1500 tr/min… 12 pôles Ns = 500 tr /min… • Réseau 60 Hz : 2 pôles Ns = 3600 tr/min; 4 pôles Ns = 1800 tr/min… 12 pôles Ns = 600 tr /min… machine asynchrone Relations fondamentales
  30. 30. Glissement et vitesse rotorique S r S S r S N N N g Ω Ω − Ω = − = ) 1 ( g n n S r − = Le glissement est fondamental dans le principe du moteur asynchrone, mais il est analogue au patinage d’un embrayage mécanique donc générateur de pertes élevées au rotor. C’est pourquoi un MAS doit avoir un glissement très faible lors de son régime établi. Toute action sur g pour avoir une variation de vitesse ne doit pas se prolonger à moins de surdimensionner le moteur… machine asynchrone Relations fondamentales
  31. 31. machine asynchrone Action sur le glissement Couplage des pôles Contrôle U/f (commande scalaire) Contrôle vectoriel de flux Structure interne d ’un variateur MLI Réglage de vitesse Variation de vitesse
  32. 32. machine asynchrone Réglage par action sur le glissement Tr En modifiant la résistance rotorique (sur les machines à rotor bobiné), on agit sur le glissement tout en conservant un couple maximal constant. Variation de vitesse
  33. 33. Tr T Ω machine asynchrone Puissance absorbée = Te x Ωs Te x Ωr Puissance utile + pertes Réglage par action sur le glissement Variation de vitesse
  34. 34. Tr T Ω machine asynchrone Puissance absorbée = Te x Ωs Te x Ωr Puissance utile + pertes Réglage par action sur le glissement Variation de vitesse
  35. 35. machine asynchrone Réglage par action sur le glissement Utilisable pour le démarrage des moteurs asynchrones car les pertes importantes ne sont que transitoires. On utilise d’autres méthodes : - par action sur le nombre de paires de pôles p. (moteur part winding ou Dalhander) - par action sur la fréquence f. (variateur électronique) Variation de vitesse
  36. 36. machine asynchrone Variation de vitesse Réglage par couplage de pôles P est un nombre entier. Les différentes vitesses seront des multiples. Dans la pratique on limite la variation à deux vitesses (PV et GV) p g f n ) 1 ( − = 2 technologies sont utilisées suivant le rapport - rapport quelconque : stator à enroulements séparés - rapport = 2 : stator composé de 6 demi-bobines Exemple : Machine à laver ancienne génération avec p = 1 et 6. Ns = 3000 et 500 tr / min, essorage et lavage…avec réducteur à poulies et courroie PV GV
  37. 37. machine asynchrone Contrôle Commande Les solutions modernes de Contrôle commande (couple - vitesse)
  38. 38. Relation Couple-Vitesse 2 .U K Te = pour f constante TE Ωr 0 TD TY = TD / 3 ΩS Tr couple résistant L’action sur la tension efficace U aux bornes d’un moteur a de lourdes conséquences si le moteur est en charge. Sur le graphe ci-contre le démarrage est impossible si la tension est réduire d’un coefficient Les chutes de tension dans de longs câbles peuvent avoir le même effet… 3 machine asynchrone Contrôle Commande
  39. 39. TE Ωr 0 ΩS0 ΩS1 ΩS2 ∆Ωr ∆Ωr ∆Ωr 2 .         = f U K Te pour f variable Pour le réglage de la vitesse, l’action simultanée sur la tension efficace U et la fréquence f en gardant U/f constant est d’un grand intérêt. Le démarrage est possible, le point stabilisé en vitesse peut être choisi et modifié avec un faible glissement pour le moteur. Tr couple résistant machine asynchrone Contrôle Commande Relation Couple-Vitesse
  40. 40. machine asynchrone Contrôle Commande Relation Couple-Vitesse moteur/générateur
  41. 41. machine asynchrone Contrôle Commande O n d i s t i n g u e 2 t e c h n i q u e s Contrôle U/f ou E/f Contrôle scalaire Contrôle vectoriel de tension Vector Voltage Control Vector Pause Modulation Contrôle vectoriel de flux avec ou sans capteur Field Oriented Control Moteur asynchrone auto piloté Flux Vector Control Contrôle en tension Contrôle en courant Tous les contrôles sont MLI (ou PWM sinus) et agissent sur f et U
  42. 42. machine asynchrone Contrôle Commande p f ns = Agir sur la fréquence, modifie la vitesse de synchronisme ainsi que le point de fonctionnement Remarque: Les pertes sont constantes Contrôle U/f ou Contrôle scalaire
  43. 43. machine asynchrone Contrôle Commande Pour une bonne maîtrise de l ’équipement, on cherche à conserver un couple moteur maximal constant. 2 1 . max         = f V K C Contrôle U/f ou Contrôle scalaire f varie on veut Cmax Il faut que V1 varie pour que = f V1 constant
  44. 44. machine asynchrone Contrôle Commande C/Cn 0,5 1 1,5 f(Hz) fn 2fn 0 Zone de survitesse à puissance constante •Moteur auto ventilé couple utile permanent •Moteur moto ventilé couple utile permanent •Surcouple transitoire Pas de couple aux très basses vitesses Contrôle U/f ou Contrôle scalaire
  45. 45. machine asynchrone Contrôle Commande variateurs de vitesse
  46. 46. machine asynchrone Contrôle Commande Les variateurs intègrent : un microprocesseur de la mémoire un calculateur ….. Cela permet : d ’adapter le variateur à l ’application (rampes, etc.…) de réguler ou d ’asservir de programmer différents cycles de protéger l ’ensemble moteur - variateur Structure des variateurs de vitesse
  47. 47. Onduleur de tension triphasé utilisant la modulation de largeur d’impulsion (MLI). Redresseur triphasé + filtre L C constituant une source de tension continue. machine asynchrone Contrôle Commande Structure des variateurs de vitesse
  48. 48. machine asynchrone Contrôle Commande Principe de la commande MLI umoy = 0 MLI : Modulation de Largeur d ’Impulsions PWM : Pulse Width Modulation u R v v 1 2 La commande des interrupteurs 1 et 2 sont complémentaires t t umoy 0 t umoy 0
  49. 49. machine asynchrone Contrôle Commande MLI analogique Une tension sinusoïdale Vm ou modulatrice de fréquence f est comparée à une tension triangulaire Vp ou porteuse de fréquence fp, avec fp = m f m = entier 1 On a une maîtrise incomplète des harmoniques de tension fm fp 2fp
  50. 50. machine asynchrone Contrôle Commande MLI numérique Les instants de commutation des interrupteurs sont calculés pour réduire (ou supprimer) des harmoniques Pour 3 angles calculés, on peut supprimer les harmoniques de rangs 3 et 5 On agit sur la fréquence par contre il faut contrôler U π 0 2π θ E α1 α2 α3 u
  51. 51. machine asynchrone Contrôle Commande MLI numérique π 0 2π θ E α1 α2 α3 u Hachage à fréquence fixe à rapport cyclique variable. Cela permet de moduler la valeur efficace du fondamental On superpose aux motifs précédents, une modulation à haute fréquence; c’est la surmodulation
  52. 52. machine asynchrone Contrôle Commande MLI Vectorielle MLI numérique 2e génération 0 E/2 E/2 U V W a 0 E/2 E/2 U V W d 0 E/2 E/2 U V W b 0 E/2 E/2 U V W c 0 E/2 E/2 U V W e 0 E/2 E/2 U V W f 0 E/2 E/2 U V W h 0 E/2 E/2 U V W g À partir des 8 combinaisons des interrupteurs on peut avoir 8 positions du vecteur tension U W V U b a 0 a T T1 b T T2 X
  53. 53. Potentiels aux 3 bornes de sortie de l’onduleur modulés MLI. Tension composée aux bornes d’un enroulement moteur. Onde MLI machine asynchrone Contrôle Commande
  54. 54. machine asynchrone caractéristiques Comportement électrique
  55. 55. Modèle simplifié d’une phase rapportée au stator Il s’agit d’un modèle énergétique dont toutes les valeurs de puissance doivent être multipliées par 3 pour un moteur triphasé machine asynchrone Modèle électrique X2 R2 R2(1-g)/g Xp I1 I10 I1T V1 Fig.2 Modèle électrique
  56. 56. machine asynchrone Modèle électrique Arbre des puissances Puissance électrique Puissance électro magnétique Puissance mécanique Pa PE1 PM = TE.Ωr Pu = Tu.Ωr pméca pF1 pj1 FONCTIONNEMENT MOTEUR pF2 PE2 = TE.Ωs pj2 Puissance électrique STATOR ROTOR p2 = TE.g.Ωs

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