1 Variation de vitesse des machines alternatives Les machines à courant alternatif sont des dispositifs électromécaniques complétement réversibles pouvant fonctionner en moteurs et en génératrices. Génératrice Energie Mécanique Energie Electrique Moteur Elles sont souvent utilisées dans la production de l’énergie électrique ou dans les entrainements mécaniques. On distingue principalement deux types de machines à courant alternatif : Machine synchrone Machine asynchrone D’autres machines dérivent de ces types. Leurs domaines d’application va de la propulsion navale (MW) à la micromécanique d’horlogerie (mW) Electroménager 1.1 Propulsion navale Traction ferroviaire Véhicule électrique Ventilation Machines informatiques Horlogerie Principe général des machines alternatives Création d’un champ tournant à partir de trois bobines géométriquement déphasées de 120° et alimentées par un système triphasé équilibré de fréquence 𝑓𝑠 . Les trois bobines produisent un champ magnétique de module constant tournant à la vitesse Ω𝑠 = 𝜔𝑠 2𝜋𝑓𝑠 = 𝑝 𝑝 Si le rotor est une roue polaire équivalente à une aiguille aimantée; il tournera à la même vitesse que le champ tournant. C’est le principe du moteur synchrone 𝜔𝑠 Ω𝑠 = =Ω 𝑝 Si le rotor est un disque métallique, des courants induits vont créer un couple moteur. Le rotor tournera à une vitesse inférieure à celle du champ tournant. 𝜔𝑠 Ω𝑠 = >Ω 𝑝 1.1.1 Constitution Le stator comporte essentiellement un empilage de tôles d'acier constituant une couronne dans laquelle sont aménagées des encoches. Ces encoches portent le bobinage statorique distribué sur les pôles et répartie généralement sur trois enroulements placés à 120° . Le rotor étant la partie mobile de la machine à courant alternatif. Sa forme est toujours cylindrique. Ainsi pour les machines asynchrones, le rotor est soit de type à cage ou à bagues. Sa fonction principale est de supporter les forces électromotrices induites par le champ statorique tournant à une vitesse donnée. 1.1.2 Vitesses et pulsations Vitesse de synchronisme ou vitesse du champ tournant Glissement: il caractérise la diminution de vitesse en fonctionnement Pulsation et fréquence rotorique 0 < 𝑔 < 1 (Ω < Ω𝑠 ) fonctionnement moteur 𝑔 < 0 (Ω𝑠 < Ω) fonctionnement Génératrice 𝑔 = 0 (Ω𝑠 = Ω) fonctionnement au synchronisme Ω𝑠 = 𝜔𝑠 2𝜋𝑓𝑠 = 𝑝 𝑝 𝑔= Ω𝑠 − Ω Ω𝑠 𝜔𝑟 = 𝑔 × 𝜔𝑠 𝑓𝑟 = 𝑔 × 𝑓𝑠 𝑔 = 1 (Ω = 0) fonctionnement moteur rotor bloqué 𝑔 > 1 (Ω < 0) fonctionnement moteur frein : Marche freinage en contre courant 1.1.3 Modèle mas en régime permanent Le moteur asynchrone se comporte comme un transformateur alimentant une charge constituée par l’impédance du rotor (inductance et Résistance) On donne sur la figure x.y le circuit équivalent monophasé du MAS ramené au stator I1 Rs x1 Im Rf Figure 1 1.1.4 Bilan des puissances 𝐸1 2 𝑅𝑓 𝑃𝑡𝑟 = 𝑃𝑎 − 𝑃𝑗𝑠 − 𝑃𝑓𝑠 = 3. 𝑅𝑟 2 .𝐼 𝑔 1 𝑃𝑡𝑟 = 𝑇𝑒𝑚 . Ω𝑠 𝑃𝑗𝑟 = 3. 𝑅𝑟 . 𝐼2 2 𝑃𝑗𝑟 = 𝑔. 𝑃𝑡𝑟 𝑃𝑚𝑒𝑐 = 𝑃𝑡𝑟 − 𝑃𝑗𝑟 = (1 − 𝑔). 𝑃𝑡𝑟 𝑃𝑚𝑒𝑐 = 𝑇𝑒𝑚 . Ω 𝑃𝑚𝑒𝑐 = 𝑃𝑡𝑟 − 𝑃𝑗𝑟 = (1 − 𝑔). 𝑃𝑡𝑟 𝑃𝑢 = 𝑃𝑚𝑒𝑐 − 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑡𝑒𝑠𝑚𝑒𝑐 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑡𝑒𝑠𝑚𝑒𝑐 = 𝑇𝑝𝑒𝑟𝑡𝑒𝑠 . Ω 𝑃𝑢 = 𝑇𝑢 . Ω 𝜂= I2 E1 Vs 𝑃𝑎 = √3. 𝑈1 . 𝐼1 . 𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑃𝑗𝑠 = 3. 𝑅𝑠 . 𝐼1 2 𝑃𝑓𝑠 = 3. x2 𝑃𝑢 𝑃𝑎 Xm R2 g Pertes Fer Stator Pertes Mécaniques Puissance Utile Puissance Absorbée Stator Rotor 1.1.5 Couple électromagnétique En négligeant la chute de tension aux bornes de la résistance et de l’inductance de fuites l1 𝑉𝑠 au stator , le courant I2 : 𝐼2 ≈ 2 √(𝑅𝑟 ) +𝑥2 2 𝑔 La puissance transmise est : 𝑃𝑡𝑟 = 3. 𝑅𝑟 𝑔 . 𝐼2 2 𝑃𝑗𝑟 = 𝑇𝑒𝑚 . Ω𝑠 𝑅𝑟 𝑔 le couple électromagnétique s’exprime par : 𝑇𝑒𝑚 = 3. Ω . 𝑠 𝑉𝑠 2 𝑅 2 ( 𝑟 ) +𝑥2 2 𝑔 𝑅𝑟 𝑔 2 𝑉𝑠 2 = 3. 𝑝. ω . 𝑠 𝑅 ( 𝑟 ) +𝑥2 2 𝑔 le tracé du couple en fonction du glissement donne la courbe de la figure x.y Figure 2 1.1.5.1 Courbes le glissement est faible au voisinage du synchronisme, le couple devient alors proportionnel au glissement Le couple présente un maximum pour la valeur du glissement 𝑅𝑟 𝑉𝑠 2 𝑔 ≫ 𝑥2 ⇒ 𝑇𝑒𝑚 = 3. 𝑝. . = 𝐾×𝑔 𝑔 ω𝑠 𝑅𝑟 𝑔𝑚𝑎𝑥 𝑅𝑟 𝑉𝑠 2 1 = ⇒ 𝑇𝑒𝑚 = 3. 𝑝. . 𝑥2 ω𝑠 2 × 𝑥2 Pour les glissements forts, le couple devient inversement proportionnel au glissement 𝑅𝑟 𝑉𝑠 2 𝑅𝑟 𝐾 ≪ 𝑥2 ⇒ 𝑇𝑒𝑚 = 3. 𝑝. . 2 = 𝑔 ω𝑠 𝑥2 × 𝑔 𝑔 Temax gmax 1.2 Principe de variation de vitesse de la mas Pour modifier la caractéristique 𝑇𝑒𝑚 (),Plusieurs paramètres sont susceptibles de modification en partant des expressions du glissement et du couple : 𝑔= Ω𝑠 −Ω Ω𝑠 rd ⇒ Ω ( s ) = (1 − g) × Ω𝑠 ⇒ 𝑁 = 60 × 1−𝑔 𝑝 L’action sur ces paramètres ne doit pas dégrader toutefois le couple. 𝑅𝑟 𝑔 2 𝑉2 × 𝑓𝑠 𝑇𝑒𝑚 = 3. 𝑝. ω𝑠 . 𝑠 𝑅 ( 𝑟 ) +𝑥2 2 𝑔 1.2.1 Action sur le nombre de paires de pôles Par combinaison de couplage de différents bobinages au stator, on distingue: Les moteurs à enroulements séparés : Le moteur comporte deux , trois ou quatre enroulements statoriques indépendants permettant d’obtenir deux , trois ou quatre vitesses dans un rapport quelconque. Exemple :moteur deux vitesses 1000 / 3000 tr/mn. Figure 3.8 Circuit de puissance de variation de vitesse Remarque : Les puissances absorbées en GV et PV sont souvent très différentes, ce qui nécessite un relais de protection thermique par vitesse. Moteurs à couplage de pôles chaque enroulement du stator 2 bobinages distincts pouvant être couplés en série (4 pôles) ou en parallèle (2 pôles). Inconvénients: Variation non continue Ne permet pas un réglage fin du point de fonctionnement désiré 1.2.2 Action sur la tension Dans ce mode de fonctionnement, le moteur asynchrone est caractérisé par la faible variation de sa vitesse quand la tension d’alimentation varie. Convertisseurs utilisés: Gradateurs à thyristors (génère beaucoup d’harmoniques et donc perturbe le réseau) 1.2.3 Action sur la résistance du rotor Ce mode d’action exige un moteur à bagues. Applications: Rendement secondaire : levage, grue, pont roulant (couple de démarrage élevé requis) 1.2.4 Action sur la fréquence Dans ce mode la variation de vitesse s’améliore au détriment d’une perte de couple Convertisseurs utilisés: Onduleurs 1.2.5 Action sur la tension et la fréquence En négligeant les chutes de tension au stator le schéma se réduit à Vs Im Rf Xm x2 I2 R2 g 𝑉𝑠 Le couple électromagnétique dépend de : 𝑇𝑒𝑚 = 3. 𝑝. 2𝜋𝑓 . 𝑅 𝑉𝑠 . 𝑟 𝑔 2 𝑠 (𝑅𝑟 ) +𝑥 2 2 𝑔 = 𝐾. 𝜓. 𝐼2 . Il faut donc que le flux statorique crée par le courant magnétisant soit maintenu constant 𝐼𝑚 = 𝐿 𝑉𝑠 𝑚 .𝜔𝑠 𝑉 = 𝑐𝑡𝑒 𝜓 = 𝜔𝑠 = 𝑐𝑡𝑒 𝑠
