Machines tournantes et variation de vitesse
publicité
Conseil et formation en ingénierie électrique 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 2 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines Une vision simple mais efficace de la machine tournante N N S S 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 S S N N Modèle électromécanique de toutes les machines tournantes 3 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 La roue polaire ou inducteur tournant 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 Le stator triphasé de la machine 4 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 S S N Etat magnétique permanent de la MCC grâce à l'inversion électromécanique collecteur-balais N 5 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines Résumé de la vision simple : machines synchrones et asynchrones machines à courant continu S S S S N N N Les deux aimants "fictifs" sont en rotation N Les deux aimants "fictifs" sont fixes Dans tous les cas une seule partie mécanique en mouvement : le rotor 6 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines Modèle adapté à la magnétisation des machines tournantes S N S N entrefer Roue polaire lisse de MS Une phase statorique de MAS S N Inducteur de MCC 7 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 (t ) La loi de Lentz (1), intégrée sur l'espace et le temps donne pour e (1) toutes les machines la valeur de la FEM (E en Volts) qui dt intervient dans le schéma électrique équivalent MAS et MS E 2,2 2.K .(2. p.q.m). f . MCC E 2. p 2.a N .n. K coefficient lié à la distribution des encoches p nombrede paires de pôles q nombrede faisceauxou d'encoches m nombrede conducteur s dansun faisceau f fréquenced'alimentation flux efficace sousun pôle p n o mb red e p aires d e p ô les a n o mb red e v o iesd 'en ro u lement N to taln o mb red e co n d u cteusr n v itesssed e ro tatio n(rd /s) flu x so u su n p ô le 8 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) 9 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 10 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 11 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 E 2. p 2.a U E r.I (2) U tensionaux bornesde l' induit, N .n. p n o mb red e p aires d e p ô les a n o mb red e v o iesd 'en ro u lement N to taln o mb red e co n d u cteusr n v itesssed e ro tatio n(rd /s) flu x so u su n p ô le Soit E = k.n (1) I courantd'induit r résistanced'induitet généralement r.I E Pméca = T.n (3) Pélec = U.I (4) Et le bilan de puissance Pméca = Pélec 12 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production du couple MCC en régime dynamique Résistance d'induit Schéma équivalent Inductance d'induit FEM i(t) R i(t) L di/dt E u(t) u = R i + L di/dt + E 13 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 100 T = k/r(U-k.n) Soit le réseau de caractéristiques couple-vitesse à courant magnétisant donné et pour différentes tensions d'induit Couple (N.m) T ( 200 , n ) T ( 150 , n ) 50 T ( 100 , n ) T ( 50 , n ) 0 0 1000 n Vitesse (tr/mn) 2000 14 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 15 Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production du couple MAS Schéma équivalent pour une phase, en régime triphasé équilibré Résistance statorique Inductance de fuites statorique Inductance de fuites rotorique R1 V1(t) L1 Lm L2 Résistance rotorique R2 Rf R2.(1-g)/g Inductance magnétisante Pertes fer Puissance électrique active transmise au rotor fournissant la puissance mécanique sur l'arbre 16 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 : 50 Couple (Nm) Couple (Nm) 50 0 50 1000 0 1000 2000 3000 4000 0 50 2 1.5 1 Vitesse (tr/mn) 0.5 0 0.5 1 1.5 2 Glissement T = f(W) T = f(g) Couple fonction de la vitesse Couple fonction du glissement Point de fonctionnement nominal W<0 ou g>1; T>0 fonctionnement en frein 0W< Ws ou 0<g<1; T>0 fonctionnement en moteur W> Ws ou g<0; T<0 fonctionnement en génératrice 17 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 40 20 20 Couple Courant 15 10 0 20 5 0 40 60 2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 2 0 2 4 Ieff = f(g) 8 10 12 14 16 18 20 T = f(Ieff) Courant efficace fonction du glissement W<0 ou g>1; T>0 fonctionnement en frein 6 Courant Glissement Couple fonction du courant efficace 0W< Ws ou 0<g<1; T>0 fonctionnement en moteur W> Ws ou g<0; T<0 fonctionnement en génératrice 18 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 autotransformateur 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 19 Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu Fonctionnement commandé 2 possibilités : - ie1 + - vK1 - ie3 + - vI - + iK5 + ie2 iK3 vK4 vK6 iK4 iK1 vI I vK4 iK4 iK2 I vK3 E vK2 iK6 iK3 - iK1 I0 vK5 + + iK2 vK2 + - e3 vK3 - vK1 - e2 iE + - e1 + + 1/ Redressement commandé par pont tout thyristor ou pont mixte (forte puissance) vI ie1 0 0 /3 2 /3 4 /3 5 /3 2 7 /3 8 /3 3 1 0 /3 1 1 /3 4 20 Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu Possibilité de fonctionnement dans les 4 quadrants électro-mécaniques - I iK5 ie3 vI I iK'1 - + vK5 iK3 iK'2 vK'2 vK4 vK6 iK4 vK'1 vK2 iK6 iK'3 vK'3 iK'5 vK'5 iK2 + e3 vK3 iK1 vK'6 - + vK1 ie2 iK'6 vK'4 + e2 iK'4 + e1 Pont n°2 + + Pont n°1 ie1 I, T Générateur Moteur Moteur Générateur U, n 21 Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu 2/ Redressement non commandé par pont à diode + hacheur (faible puissance) iK1 iU a b vK1 L Fonctionnement de principe sur hacheur dévolteur R U iI iK2 vK2 vI K1 K2 E K1 K2 K1 vc K1 K2 E T 0 ic K2 vc E Ec La source de tension est assurée par un redresseur à diodes T Ec T T t 0 ic t T' IcMAX IcMAX IcMIN 0 0 t t Evolution des différentes grandeurs en conduction continue et discontinue Ici aussi possibilité, de fonctionnement dans les 4 quadrants 22 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 40 30 100 Courant Couple (Nm) 150 20 50 10 0 0 1 0.8 0.6 0.4 Glissement T(g) 0.2 10 17 1 0.8 0.6 0.4 Glissement 0.2 10 17 I(g) 23 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 24 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 I1 TH’1 V1 Phase 1 VR1 UTr1 TH2 VR1 0 i I2 O TH’2 0 VR2 1 2 3 V2 TH1 TH’3 4 5 6 7 8 5 6 7 8 5 6 7 8 qi UTr2 Phase 2 I3 VR3 UTr3 VR2 0 i V3 0 1 2 3 4 qi N Phase 3 Schéma structurel VR3 0 i 0 1 2 3 4 qi Ondes de tension 25 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) iI Is M e1 C e2 e3 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 26 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 50 Tm Tm Tm Tm Tm 1 , g1 2 , g1 3 , g1 0 4 , g1 5 , g1 50 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 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 27 Contrôle des machines Fonctionnement commandé MAS , conversion alternatif/alternatif 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 Analyse spectrale Forme d'onde MLI 28 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 350 300 250 200 150 100 50 0 Spectre V1 Spectre V2 Spectre V3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 300 250 Ampères Volts Formes d ’ondes et analyses spectrales tension-courant en amont d ’un variateur de vitesse continu 200 150 100 50 0 Spectre I1 Spectre I2 Spectre I3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 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 Formes d ’ondes et analyses spectrales tension-courant en amont d ’un variateur de vitesse asynchrone 30 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) 21.708 30 6.744 8 20 6 10 SpectreI j I1i 4 0 10 2 20 6.078´10 22.292 30 0.01 5´10 0 3 0.01 0.02 T1i 0.03 0.04 0.05 4 0 0 0 5000 1 .10 1.5 .10 4 Fj 4 2 .10 4 2.5 .10 4 2.5´10 4 0.045 31 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 18.499 20 6.138 10 8 6 0 SpectreI3 j I2i 4 10 2 20 j : 0 .. 2047 20.301 30 0.01 I j : I1 j 5´10 0 0.01 I3 j : I2 j 0.02 3 T1i 0.03 F j : j 0.04 fe 0.05 4.141´10 4 0 0 0 0.045 1 .10 5000 1.5 .10 4 4 Fj 2 .10 4 2.5 .10 4 2.5´10 4 2048 0.515 0.5 0.4 SpectreI j 0.3 SpectreI3 j 0.2 0.1 0.03 1.5 .10 4 1.43´10 4 1.6 .10 4 1.7 .10 4 1.8 .10 Fj 4 1.9 .10 4 2 .10 4 2.1 .10 4 2.11´10 4 32 33 34 35 36
