Les Machines ASynchrones
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Les Machines ASynchrones Mat 0,75 kW Historique 1922-1933 1933-1946 1912-1922 1946-1961 1961-1970 1970-… 1905-1912 Les Machines Asynchrones: Les machines asynchrones sont surtout utilisées comme moteurs. 80% des moteurs électriques sont des moteurs asynchrones Les moteurs asynchrones sont très robustes Leur gamme de puissance s’étale de quelques watts à une dizaine de mégawatts. Principe Constitution de la MAS Constitution de la MAS: le stator La machine asynchrone est constituée d ’un stator semblable à celui d ’une machine synchrone. Ce stator, alimenté par des courants triphasés, produit un champ magnétique tournant (cf th de Ferraris). 1 y2 3' 2' 2/3 y1 O ns = f/p 2/3 2 3 y3 1' Machine bipolaire Constitution de la MAS: le stator Plaque à bornes Plaque signalétique Constitution de la MAS: assemblage du stator Carcasse usinée Avant bobinage Après bobinage Constitution de la MAS: le rotor à cage d’écureuil Le rotor est constitué d ’un ensemble de conducteurs en court-circuit appelé « cage d ’écureuil » Constitution de la MAS: le rotor bobiné Plaque signalétique d’un MAS puissance cos Fréquence des courants statoriques vitesse nominale rendement nombre de phases Plaque signalétique d’un MAS tension maximum aux bornes d ’un enroulement: c’est la tension entre phase d’un couplage triangle tension entre phase d’un couplage étoile ( ce qui donne toujours la même tension aux bornes d’un enroulement: 220V) Plaque signalétique d’un MAS intensité nominale absorbée sur les lignes pour un couplage triangle : I (=J3 avec J courant dans un enroulement) intensité nominale absorbée sur les lignes pour un couplage étoile (donc courant dans un enroulement) Température maximale d ’utilisation Plaque signalétique d’un MAS pour un réseau 127/220 V Il faut appliquer une tension de 220 V à chaque enroulement donc une tension composée donc procéder à un couplage triangle 127/220 220 V 127 V 1 2 3 N pour un réseau 220/380 V Il faut appliquer une tension de 220 V à chaque enroulement donc une tension simple donc procéder à un couplage étoile 220/380 220 380 V 220 V 1 2 3 N Plaque signalétique d’un MAS classe de l ’isolement (ancienne appellation) Service continu Plaque signalétique d’un MAS IP 55 = protection contre la pénétration des poussières et protection contre les jets d ’eau premier chiffre = degré de protection des personnes contre l’accès aux parties dangereuses et la protection des matériels contre la pénétration des corps étrangers (maxi 6) deuxième chiffre =degré de protection contre les effets nuisibles de la pénétration de l’eau (maxi 6) Disposition des enroulements du stator à partir de la plaque à bornes plaque à bornes lamelle de cuivre Couplage en étoile 1 2 3 Couplage en triangle 1 2 3 Principe de fonctionnement de la machine asynchrone Principe de fonctionnement de la machine asynchrone N S S N Principe de fonctionnement de la machine asynchrone rotor N S S N Principe de fonctionnement de la machine asynchrone Rotation du champ tournant N S S N Principe de fonctionnement de la machine asynchrone Rotation du champ tournant N Pôles induits dans le rotor S S N Principe de fonctionnement de la machine asynchrone N S S N Principe de fonctionnement de la machine asynchrone Mise en rotation du rotor stator N N S S Le pôle nord stator tire le pôle sud rotor rotor Le pôle sud stator repousse le pôle sud rotor Principe de fonctionnement de la machine asynchrone Apparition des pôles dans le rotor Rotation du champ tournant N S S N Le flux diminue Principe de fonctionnement de la machine asynchrone Apparition des pôles dans le rotor N flux rotorique induit S courant rotorique induit S S N Sur la périphérie du rotor, il y a nécessairement autant de pôles que sur le stator; cela résulte de leur nature : ce sont des pôles induits L ’attraction/répulsion mutuelle entre pôles statoriques et rotoriques développe le couple moteur; ce couple est le couple électromagnétique Le couple électromagnétique résulte des courants induits, et donc des variations de flux. Si le rotor tourne à la même vitesse que le stator, il n ’y a plus de variation de flux. Donc le rotor ne peut tourner qu’à une vitesse inférieure à celle du champ statorique. La vitesse de synchronisme ne peut en aucun cas être atteinte (en fonctionnement moteur). D’où le nom de machine asynchrone. Le rotor tourne à une vitesse Nr<Ns inférieure à celle du champ statorique. Le rotor glisse donc par rapport à ses propres pôles. Ce glissement provoque une perte d ’énergie qui lui est proportionnelle. Principe de fonctionnement de la machine asynchrone Comparaison mécanique Rotation de la cuve Principe de fonctionnement de la machine asynchrone Comparaison mécanique ’ rotor Entraînement par friction, (embrayage) Bilan de puissance du moteur asynchrone Bilan des puissances Réseau Stator Entrefer Rotor Charge Arbre moteur (1 g ) '2 RI g Tem PMec 3 Pemtr Ptr 3 P1 3V1 I1 cos 1 R '2 I g Ptr 1 g Tem s p jR 3RI V2 PfS 3 Rf p jS 3r1 I12 3rJ 2 Pu Tu gPtr PfR 0 3 RB I 2 2 La transmission de puissance au rotor se fait avec perte de vitesse mais à couple constant pméc '2 X I I I10 V1 Rf Xm R g La différence de puissance est perdue par effet Joule dans le rotor Bilan des puissances • La différence de puissance est perdue par effet Joule dans le rotor PJr Ptr PMec Tem S Tem PJr Tem S PJr gPtr g S S Tem S g Ptr Réseau Stator Entrefer Rotor Pemtr Ptr 3 R '2 I g (1 g ) '2 RI g Tem p jR 3RI '2 p jS 3r1 I12 3rJ 2 V2 Rf PfR 0 3 RB I 2 2 Remarque : Si on néglige les pertes autres que rotoriques PM (1 g ) Ptr 1 g Ptr Ptr rendement optimum du moteur asynchrone Pu Tu Ptr 1 g Tem s P1 3V1 I1 cos 1 PfS 3 rotor Charge Arbre moteur PMec 3 gPtr pméc Modélisation de la machine asynchrone Etablissement du modèle électrique d ’une phase de la machine asynchrone Modélisation de la machine asynchrone: Résistance du stator Couplage étoile : Couplage triangle : 1 i1 r 1 i1 r 2 3 i1 r i1 2 i2 3 i3 r r r j 12 j23 j31 N N PjS 3rJ 2 rI 2 PjS 3rI 2 Si on mesure la résistance entre 2 phases on mesure Si on mesure la résistance entre 2 phases on mesure R Rb 2 r soit r b 2 2 r r 2r 2 2 3 Rb 2 r / / r r soit r Rb 2 r r 3 r 3 2 Si on exprime Pjs en fonction de Rb on obtient Si on exprime Pjs en fonction de Rb on obtient R PjS 3rI 2 3 b I 2 2 PjS rI 2 Quelque soit le couplage : PjS 3 Rb I 2 2 3 Rb I 2 2 La machine asynchrone est un transformateur à champ tournant. I1 r1 1 w g2w I1 I10 Iu mI2 r2 I10 Rf V1 Stator Lm E1 E2 g m E1 N1,K1 m N2,K2 K1 N1 K2 N2 I2 Rotor Pulsation gw Le rapport des tensions est donné par la loi de Faraday (pulsation gw au rotor) E1 K1 N1 f E2 K1 N1 n1 E2 g g g m E2 K 2 N 2 f R avec f R g f E1 K2 N2 n2 E1 Le rapport des courants par le théorème d’ampère n1I1 n2 I 2 n1I10 I1 mI 2 I10 Iu I1 I10 mI 2 Iu mI 2 Modélisation de la machine asynchrone: I1 r1 1 w I1 I10 Iu mI2 g2w r2 I10 Rf V1 Lm E1 E2 g m E1 N1,K1 Stator m N2,K2 K1 N1 K2 N2 I2 Rotor Pulsation gw V1 r1 I1 j 1w I1 E1 V1 r1 I1 j 1w I1 E1 E21 r2 I2 j 2wR I2 0 E21 r2 I2 j 2 gw I2 0 On divise par g coté rotor I1 r1 1 w E21 r2 I2 j 2w I2 0 g g I1 I10 Iu mI2 2 w I2 I10 V1 Rf Stator Lm E1 E2 m E1 g Rotor Pulsation w r2 g Modélisation de la machine asynchrone: Simplifications: Déplacement des pertes fer et inductance magnétisante On part du même modèle de départ r1 I1 1 w I1 I10 Iu mI2 r2 2 w I2 I10 Lm E1 Rf V1 E2 m E1 g Rotor Stator Pulsation w On suppose la chute de tension dans r1 et 1w très faible par rapport à E1 . On peut donc ramener les pertes à la tension V1 r1 I1 V1 Rf 1 w Iu E1 Lm Stator 2 w I2 E2 m E1 g Rotor Pulsation w r2 g g Modélisation de la machine asynchrone: Simplifications: Modèle ramené au stator On part du même modèle de départ r1 I1 1 w I1 I10 Iu mI2 g2w r2 I10 Lm E1 Rf V1 E2 g m E1 I2 Rotor Stator Pulsation gw E2 g m mgE r j gw Iu E 2 E2 r2 j 2 gw I2 1 2 1 m I mI 2 u Iu r2 2 puis en divisant par mg E1 r2 j 2 gw E1 j 2 w Iu 2 m mg m gm I1 r1 2w 1 w w 2 m 2 r R 22 g gm R I10 V1 Rf Lm Iu r2 et 2 22 2 m m Modélisation de la machine asynchrone: Simplifications: Modèle ramené au stator On continue I1 r1 w 2w 1 w 2 m 2 r R 22 g gm I10 Lm Rf V1 Iu Approximation On suppose la chute de tension dans r1 et 1w très faible r1 I1 1 w 2w w r R 22 g gm 2 m 2 I10 X Lm V1 Rf Iu Approximation : r1 négligé I1 I10 Iu I1 X I10 V1 Rf Lm V 1 R g Modélisation de la machine asynchrone: Simplifications: Modèle ramené au stator On retrouve en partie le bilan des puissances I1 I10 Iu I1 X p jr 3RI u2 I10 Lm V 1 Rf V1 R g PMéca (1 g ) Pem 3 Pabs Pfer Réseau Stator Pem 3 Pem Entrefer Pemtr Ptr 3 P1 3V1 I1 cos 1 R 2 Iu g Rotor R '2 I g (1 g ) '2 PMec 3 RI g Tem p jR 3RI p jS 3r1 I12 3rJ 2 V2 Rf 3 RB I 2 2 Charge Arbre moteur Pu Tu Ptr 1 g Tem s PfS 3 (1 g ) 2 RI u g PfR 0 gPtr pméc '2 Courant à glissement faible I1 I10 Iu I1 X I10 Rf V1 R g Iu Lm V 1 X car g faible V1 2 R 2 g X 2 V1 R g 2 V1 g R R I1 I10 Iu I10 V1 g g R I1 I10 Iu I1 I10 V1 Rf Lm V 1 R g I1 I10 Iu I1 I10 V1 Rf R Lm V 1 g I1 I10 Iu I10 V1 R g V1 1 I10 I1Lm I1Rf I1 Iu V1 g R I1 I10 Iu I1 I10 V1 Rf R Lm V 1 g g I1 I10 Iu I10 V1 R V1 1 Si N diminue, g augmente I1 I10 I1Lm I1Rf Iu V1 g R I1 I10 Iu I1 I10 V1 Rf R Lm V 1 g g I1 I10 Iu I10 V1 R V1 1 I10 I1Lm I1Rf I1 Si N augmente, g diminue Iu V1 g R Couple à glissement faible R g I1 I10 Iu I1 I10 V1 Rf Lm V 1 R 2 Pem 3 I u g Pem Tem S R g X car g faible Iu V1 2 R 2 X g V1 R g 2 V1 g R R 2 3 Iu 2 P 3 R g g em V1 Tem S S S g R 3 2 g Tem V1 S R Te g=1 Ns g=0 N Couple et courant à fort glissement Couple à glissement fort I1 I10 Iu I1 X Iu I10 V1 Rf R 2 Pem 3 I u g Pem Tem S Lm V 1 R g V1 2 R 2 X g V12 R Tem 3 2 g s R 2 X g w s p 3 pV12 w R g 2 R 2 X g 3p g R 1 3p 2 1 2 R Tem V1 V1 2 2 gX R w g R g w 2 X R g g R 1 X 3 p V12 1 1 w X R gX X gX R R On pose g 0 X 3 p V12 1 Tem w X g0 g g g0 Tem est max pour g = g0 soit Tem Max V12 3 p V12 1 3 p V12 1 3 p V12 2 Tem K 2 w X 2 w Lw 2 2 L w f 2 f 2 1 3p V 1 Tem w X g0 g g g0 Tem Ns g0 g << g0 Tem = K V12 g g0 g >> g0 Tem = K V12 g0 g g Tem Tmax Ns g =1 g=0 zone de fonctionnement en moteur zone de fonctionnement en générateur N Influence d ’une variation de la tension d ’alimentation statorique sur la caractéristique mécanique TemMax Ce V12 K 2 f Cmax (V1=U) Cmax (V1=V) g0 R X Ns N Ce couple au démarrage en couple au démarrage en Y Ns N Démarreur étoile/triangle KM2 KM3 M 3 ~ KM1 KM1 Influence d ’une variation de la fréquence des tensions statoriques V/f = cte Cmax = cte Ce TemMax V12 K 2 f N 25 50 75 100 Influence d ’une variation de la résistance rotorique sur la caractéristique mécanique V12 Tem K 2 f Ce R ’’2> R ’2 R ’2> R2 R2 Cmax=cte 3 2 g N Tem V1 S R R ’’’2 R2 Ce R ’’’2 + R2 couple au démarrage N R ’’2 R2 Ce R ’’2 + R2 N R ’2 R2 Ce R ’2 + R2 R2 Ce R2 Etude de l’évolution du point de fonctionnement Etude de l’évolution du point de fonctionnement R2 Ce R ’’’2 R ’’’2 + R2 couple résistant couple au démarrage N Etude de l’évolution du point de fonctionnement Cmot - Crésist = J d dt =0 Vitesse atteinte Ce couple résistant N R ’’2 R2 Ce R ’’2 + R2 couple résistant N Cmot - Crésist = J d dt =0 Vitesse atteinte Ce R ’’2 + R2 couple résistant N R ’2 R2 Ce R ’2 + R2 Cmot - Crésist = J d dt >0 Cmot - Crésist = J = 0 Ce R ’2 + R2 couple résistant N R2 Ce R2 couple résistant Cmot - Crésist = J d dt =0 Ce R ’2 + R2 R2 couple résistant N Freinage du moteur asynchrone Lors de l ’arrêt d ’une machine, il est souvent nécessaire de réduire le temps de décélération dû à la seule inertie des parties tournantes. Le freinage électrique offre l ’avantage de ne mettre en œuvre aucune pièce d ’usure. Dans certains cas, l ’énergie mécanique récupérée peut être réinjectée sur le réseau électrique. Freinage du moteur asynchrone Freinage par injection de courant continu Freinage par injection de courant continu d ’un moteur à cage d ’écureuil : M M 3 ~ fonctionnement 3 ~ freinage Freinage par injection de courant continu Ce 0 N couple de freinage Réglage du freinage par injection de courant continu d ’un moteur à cage d ’écureuil : Ce 0 N couple de freinage couple de freinage Freinage par injection de courant continu d ’un moteur à rotor bobiné M 3 M ~ 3 ~ M 3 ~ M fonctionnement 3 ~ démarrage freinage Réglage du freinage par injection de courant continu d ’un moteur à rotor bobiné Ce 0 N couple de freinage Freinage du moteur asynchrone Freinage par contre courant Freinage par contre-courant d ’un moteur à rotor bobiné M 3 M ~ 3 ~ M M 3 ~ 3 ~ fonctionnement démarrage freinage Freinage en contre courant d ’un moteur à cage M 3 M ~ fonctionnement 3 ~ freinage Freinage par contre-courant Ce couple de freinage N Freinage du moteur asynchrone Freinage hyper synchrone Ce Freinage hyper synchrone ou « naturel » Cmax Ns g =1 couple de freinage g=0 zone de fonctionnement en moteur zone de fonctionnement en générateur N De l ’utilité de réduire la résistance insérée au rotor lors du freinage hyper synchrone : Ce 0 couple de freinage N ’ N ’’ N
