Conversion électromécanique

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Induction 3 Conversion électromécanique
Lycée Polyvalent de Montbéliard - Physique-Chimie - TSI 1 - 2016-2017
Contenu du programme officiel :
Notions et contenus
Conversion de puissance mécanique en puissance électrique.
Rail de Laplace.
Freinage par induction.
Conversion de puissance électrique en puissance mécanique.
Haut-parleur électrodynamique.
Moteur à courant continu à entrefer plan.
Moteur à courant continu, machine synchrone, machine
asynchrone.
Pilotage des moteurs.
Capacités exigibles
- Interpréter qualitativement les phénomènes observés.
- Établir les équations électrique et mécanique en précisant les conventions
de signe.
- Établir et interpréter la relation entre la puissance de la force de Laplace
et la puissance électrique.
- Effectuer un bilan énergétique.
- Expliquer l’origine des courants de Foucault et en connaître des exemples
d’utilisation.
- Mettre en évidence qualitativement les courants de Foucault.
- Expliquer le principe de fonctionnement d’un haut-parleur électrodynamique.
- Utiliser la relation entre la puissance de la force de Laplace et la puissance
électrique.
- Effectuer un bilan énergétique.
- Expliquer le principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu
à entrefer plan en utilisant les forces de Laplace.
- Décrire qualitativement les principes des machines.
- Expliquer les avantages et inconvénients des différentes machines et donner des exemples d’utilisation.
- Effectuer un bilan énergétique.
- Modifier le fonctionnement des moteurs (vitesse ou couple) en
agissant sur certains paramètres électriques.
En gras les points devant faire l’objet d’une approche expérimentale.
Table des matières
1 Conversion de puissance mécanique en puissance électrique
1.1 Retour sur l’exemple de rails de Laplace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Les courants de Foucault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
4
2 Conversion de puissance électrique en puissance mécanique
2.1 Le haut-parleur électrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Machine à courant continu à entrefer plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4
6
3 Les
3.1
3.2
3.3
3.4
convertisseurs électromécaniques de puissance
Principe des convertisseurs électromécaniques . . . .
La machine à courant continu . . . . . . . . . . . . . .
La machine synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . .
La machine asynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . .
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.
7
7
7
9
10
Ce dernier chapitre d’induction permet de comprendre les techniques utilisées dans la conversion d’énergie, aussi bien de la conversion mécanique vers électrique (principe d’une centrale) que de la conversion
électrique vers mécanique (principe d’un moteur). Ces éléments sont la base de toute l’électronique de
puissance moderne.
1
1.1
Conversion de puissance mécanique en puissance électrique
Retour sur l’exemple de rails de Laplace
On considère le dispositif des rails de Laplace représenté ci-dessous constitué :
. de deux rails fixes conducteurs parallèles distants de L ;
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Maxime Champion
Induction 3 : Conversion électromécanique
. d’une barre conductrice rectiligne mobile M N , pouvant se déplacer suivant la direction des deux rails
fixes.
#”
L’ensemble forme un circuit déformable, plongé dans un champ magnétique B = B #”
e z stationnaire et
uniforme. On considère que le circuit ainsi formé possède une résistance totale R. On applique à la barre
#”
une force F = F #”
e x mettant en mouvement la barre avec une vitesse #”
v = v #”
e x = ẋ #”
e x . L’ensemble du
systèmes est représenté figure 1.
e(t)
M
#”
B
y
z
#”
F
•
•
L
x
R
N
i(t)
Fig. 1 – Schéma de l’expérience des rails de Laplace : la tige mobile MN ferme le circuit électrique et on note R
la résistance totale du circuit. Le circuit est placé dans un champ magnétique extérieur, uniforme et constant.
La f.é.m. e provient des phénomènes d’induction uniquement. La tige mobile est tirée avec une force constante.
I Interprétation qualitative
On a les différents phénomènes suivant le schéma ci-dessous.
Courant
Magnétisme
Force de Laplace
Mécanique
Déformation circuit
Induction
F.é.m.
Électricité
Il est à noter que le phénomène d’induction est un phénomène modérateur à cause de la loi de modération
de Lenz. Ainsi, cette boucle va avoir tendance à s’opposer à l’ensemble du phénomène, donc à freiner la
barre. Le système possède une rétroaction.
Nécessairement, l’étude du système se fait en plusieurs étapes distinctes :
. une étude mécanique ;
. une étude électrique ;
. une étude de l’induction.
I Étude quantitative
Étude mécanique : Le système est la tige M N étudié dans le référentiel du laboratoire supposé galiléen.
On note x(t) la position de la tige par rapport au début du circuit.
Deux forces s’appliquent sur la tige :
#”
. la force constante F = F #”
ex;
#”
# ” #”
. la force de Laplace, avec la convention du sens du courant du schéma, F L = iM N ∧ B = −iLB #”
e x.
#”
On applique la seconde loi de Newton et il vient en projetant sur e x
mẍ(t) = F − iLB .
(1.1)
Étude électrique : Le circuit est simplement constitué d’une source de tension e et d’une résistance R.
On a donc simplement la loi d’Ohm
e(t) = Ri(t) .
(1.2)
Étude de l’induction : La surface délimitée par le circuit est donnée par Lx(t). Ainsi, le flux du champ
dans le circuit vaut Φ(t) = −Lx(t)B (attention à l’orientation de la surface !). On applique la loi de Faraday
e=−
dΦ(t)
= LB ẋ(t)
dt
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(1.3)
Maxime Champion
Induction 3 : Conversion électromécanique
Analyse finale : Les trois étapes physiques étant effectuées, on peut utiliser les trois équations (1.1), (1.2)
et (1.3) pour arriver à l’équation du mouvement
ẍ(t) +
L2 B 2
F
ẋ(t) =
mR
m
(1.4)
et à l’équation d’évolution du courant
di(t) L2 B 2
LBF
+
i(t) =
.
dt
mR
mR
(1.5)
Application 1 : Trouver ces deux équations à partir des équations (1.1), (1.2) et (1.3).
On peut résoudre ces équations différentielles en posant τ =
v(0) = 0,
mR
. Il vient pour la vitesse, en prenant
L2 B 2
t
RF
.
(1.6)
v(t) = 2 2 1 − exp −
L B
τ
Après un régime transitoire d’une durée d’environ 5τ , un régime permanent en vitesse et courant est atteint.
Application 2 : En supposant que i(0) = 0, combien vaut le courant i(t) en chaque instant ?
L’induction a un effet modérateur, de freinage, car la force de Laplace s’oppose au forçage extérieur et
impose une vitesse constante.
Remarque : Si au point de départ on choisit une autre convention pour le sens du courant,
il faut aussi inverser la source de tension e par définition de l’induction. Mais dans le cas, la
# ” #”
force de Laplace doit s’écrit iN M ∧ B = iLB #”
x et change donc de signe. De même, le flux
#”
devient positif car le vecteur S change d’orientation. Tous ces changements de signes laissent
l’équation (1.4) inchangée, ce qui est rassurant pour le mouvement. Par contre, l’équation (1.5)
est modifiée, il faut remplacer F par −F , le courant change donc de signe. C’est cohérent avec
le changement d’orientation initial.
I Étude énergétique
On remarque dans cet exemple que la puissance mécanique (liée à la force appliquée par un opérateur),
est convertie en puissance électrique (apparition d’un courant et de puissance Joule).
Calcul de la puissance électrique : La puissance électrique reçue par le circuit vaut simplement Pélec =
Ri2 (t) = −e(t)i(t) = i(t)LB ẋ(t). Il s’agit de la puissance dissipée par effet Joule dans le circuit.
#”
Calcul de la puissance mécanique : L’opérateur qui impose la force F fournit la puissance mécanique
Pmeca = F ẋ(t). Par ailleurs, la puissance de la force de Laplace vaut PLaplace = −i(t)LB ẋ(t).
Bilan d’énergie : On remarque d’abord que
PLaplace = −i(t)LB ẋ(t) = −Pélec .
Propriété. Dans cet exemple du rail de Laplace, la puissance mécanique fournie par la force de Laplace
est intégralement convertie en puissance électrique utilisable dans le circuit.
Par ailleurs, en appliquant le théorème de la puissance cinétique, on a
Pmeca =
dEc (t)
dEc (t)
dEc (t)
− PLaplace =
+ Pélec =
+ Ri2 (t) .
dt
dt
dt
Autrement dit, l’énergie fournie par l’opérateur sert à mettre en mouvement la tige mais est aussi en
partie perdue par effet Joule dans le circuit à cause de la conversion de puissance mécanique en puissance
électrique.
Propriété. Une fois que le régime transitoire est fini, la vitesse et l’énergie cinétique sont constantes. Ainsi,
lors du régime permanent, l’intégralité de la puissance mécanique fournie par l’opérateur est convertie en
puissance électrique.
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Induction 3 : Conversion électromécanique
1.2
Les courants de Foucault
I Mise en évidence expérimentale
Expérience 1 : Mise en évidence du freinage d’un pendule par induction : pendule dans un
aimant et chute d’aimant dans un tube métallique.
Lorsque que le pendule oscille dans l’entrefer, en présence d’un champ
magnétique, on constate un amortissement de ce dernier.
Lors du passage du pendule en cuivre dans le champ magnétique créé
par l’aimant, il y a variation de flux et apparition de courants induits
dans le disque. Ces courants sont les courants de Foucault.
La force de Laplace qui apparaît s’oppose alors déplacement du pendule. L’énergie mécanique est convertie en énergie électrique dissipée
effet Joule. Il y a un freinage et le dispositif chauffe, à travers la médiation du champ magnétique.
Remarque : Il est à noter que le champ magnétique, indispensable au processus, ne fournit pas
d’énergie. Son rôle est uniquement de permettre la conversion entre les deux types d’énergie.
Définition. On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice,
soit par la variation au cours du temps d’un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux du
champ à travers le milieu), soit par un déplacement de cette masse dans un champ magnétique constant.
Ils sont une conséquence de l’induction électromagnétique.
Remarque : Reprenons l’exemple précédent en prenant un forçage nul F = 0 mais une vitesse
initiale de tige non nulle v(0) = v0 6= 0. Dans ce cas, la solution de l’équation (1.4) sera une
exponentielle décroissant vers 0. Il s’agit directement d’un freinage par induction.
Le courant i(t) dans le circuit est donc un courant de Foucault.
I Quelques applications pratiques...
Les plaques de cuisson par induction : Un champ magnétique variable, généré par la plaque de
cuisson, crée des courant de Foucault dans le fond de la casserole (conductrice, pouvant être assimilée à
une bobine). La casserole possédant une résistance importante, elle chauffe par effet Joule.
Freins dans les transports : Un disque métallique conducteur est associé
à l’arbre de transmissions du véhicule. Le système produit, sur demande,
un champ magnétique plus ou moins important, provoquant l’apparition
de courants de Foucault dans le conducteur. L’énergie mécanique est alors
convertie en énergie électrique puis dissipée par effet Joule. Ce système est
équivalent à l’action d’un frottement fluide (car l’action est proportionnelle
à la vitesse). Ce système est utilisé par exemple sur les TGV et pour certains
poids lourds.
Avantages : Freinage doux, évitant la surchauffe des disques de frein.
Inconvénients : Ce système ne peut pas remplacer le freinage mécanique,
car il n’agit pas assez à basse vitesse.
2
2.1
Conversion de puissance électrique en puissance mécanique
Le haut-parleur électrodynamique
Un haut-parleur électrodynamique se compose d’une bobine conductrice, solidaire de la membrane. Un
aimant génère un champ magnétique radial au cœur de la bobine.
Lorsque l’on alimente le haut-parleur, un courant circule dans la bobine. La bobine subit les forces de
Laplace et se met en mouvement, entraînant la membrane. Une f.e.m induite apparaît alors dans la bobine.
Un haut-parleur est donc un convertisseur de signaux électriques en signaux sonores.
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Induction 3 : Conversion électromécanique
Fig. 2 – Principe du haut-parleur.
I Modélisation et mise en équation
On considère le circuit représenté figure 3. Le système est analogue au rail de Laplace mais cette fois
ci, la tige est solidaire d’une membrane qui peut donc vibrer sous l’effet de la force de Laplace. Il n’y a pas
de forçage mécanique extérieur. Il faut prendre en compte des effets inductifs en rajoutant une bobine.
u(t)
e(t)
i(t)
M
membrane vibrante
#”
B •
y
z
L
•
x
`0
R
x(t)
N
Fig. 3 – Modélisation d’un haut parleur électrodynamique. Le forçage vient de la tension variable u(t) tandis
que e(t) est la f.é.m. induite.
Étude mécanique : Le système est la tige M N étudié dans le référentiel du laboratoire supposé galiléen.
On note x(t) la position de la tige par rapport à la longueur à vide `0 du ressort.
Application 3 : Après avoir fait un bilan des forces, montrer que l’on obtient l’équation mécanique
mẍ(t) = −αẋ(t) − kx(t) − i(t)LB .
(2.1)
Étude électrique : Le circuit est constitué d’une source de tension u(t), de la f.é.m. induite e(t) et d’une
résistance R. La loi des mailles implique
u(t) + e(t) = Ri(t) .
(2.2)
Étude de l’induction :
Application 4 : Montrer que Φ(t) = −L(`0 + x(t))B est le flux du champ magnétique dans le
circuit. En déduire que la f.é.m. induite est donnée par
e(t) = LB ẋ(t) .
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(2.3)
Maxime Champion
Induction 3 : Conversion électromécanique
Comportement en fréquence : Le principe d’un haut parleur est que la membrane vibre à la fréquence
demandée. On s’intéresse donc à l’amplitude de la vitesse de v(t) selon la pulsation de forçage ω de u(t). Il
faut donc passer en régime sinusoïdal forcé. Les trois étapes physiques étant effectuées, on peut utiliser les
trois équations (2.1), (2.2) et (2.3) pour arriver à l’équation sur l’amplitude complexe de v(t) en fonction
de celle du courant
−LB
v(ω) =
(2.4)
i.
k
α+
+ mjω
jω
Comme on peut le constater, l’amplitude du mouvement dépend de la fréquence. Plus particulièrement, le
circuit se comporte comme un filtre passe-bas du second ordre. La bande passante dépend des propriétés
mécaniques, géométriques et magnétiques du dispositif. Pour pouvoir transmettre toutes les fréquences
avec une bonne qualité, il faut donc généralement plusieurs haut-parleurs de taille différentes. Par exemple,
les haut-parleurs de grand diamètre seront mieux adaptés pour les hautes fréquences.
I Étude énergétique
Calcul de la puissance électrique : L’énergie du dispositif provient du forçage électrique. Ainsi, la
puissance fournie vaut Pfournie = u(t)i(t). Pour avoir son expression, on multiplie l’équation (2.2) par i(t)
et il vient
Pfournie = Pj − e(t)i(t)
avec Pj = Ri2 (t) la puissance dissipée par effet Joule.
Calcul de la puissance mécanique : On applique ensuite le théorème de l’énergie mécanique (que l’on
peut retrouver en multipliant l’équation mécanique (2.1) par la vitesse) et l’on trouve
dEc (t) dEp (t)
+
= Pf + PLaplace .
dt
dt
avec Pf = −αẋ2 la puissance fournie par la force de frottement, PLaplace la puissance de la force de Laplace
1
et Ep (t) = kx2 (t) l’énergie potentielle du ressort.
2
Bilan d’énergie : À nouveau, on constate que
PLaplace = −i(t)LB ẋ = −i(t)e(t) .
Propriété. Comme dans le cas du rail de Laplace, l’intégralité de la puissance de la force de Laplace est
convertie en puissance électrique disponible dans le circuit.
Au final, on a
dEm (t)
dt
La puissance Pf fournie par la force de frottement est négative. Ainsi, le terme Pperte = Pj − Pf est un
terme de perte de puissance par dissipation thermique ou par frottement.
Pfournie = Pperte +
Propriété. La puissance électrique fournie permet de modifier l’énergie mécanique de l’oscillateur et de
compenser les pertes du système.
Remarque : Un haut-parleur peut aussi fonctionner en microphone. Dans ce cas, le forçage
mécanique provoque une tension récupérable. Même si les détails technologiques ne sont pas
les mêmes car les utilisations sont différentes, les principes de base de ces deux appareils sont
identiques.
2.2
Machine à courant continu à entrefer plan
Le moteur à entrefer plan est constitué de deux parties :
. le rotor se compose d’un un disque pouvant tourner autour d’un axe, sur ce disque sont placés les circuits
électriques radiaux alimentés en courant ;
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Induction 3 : Conversion électromécanique
. le stator se compose d’aimant permanent ou de bobines alimentées en courant.
Lorsqu’un courant circule dans le rotor, celui-ci subit des forces de Laplace qui le mettent en rotation
comme cela est représenté figure 4b.
Les phénomènes d’induction électromagnétique entrent ensuite en jeu. À cause de la loi de modération de Lenz, ils s’opposent à la mise en mouvement. Le rotor atteint alors une vitesse angulaire limite
proportionnelle à la tension d’alimentation.
#”
B •
i
(a) Photographie d’une machine à courant continu à
entrefer plan ouverte.
#”
FL
ω
(b) Visualisation des forces de Laplace dans le moteur
avec ω la vitesse de rotation.
Fig. 4 – Le moteur à entrefer plan.
Ces dispositifs sont utilisés entre autre dans les vélos électriques, dans les ordinateurs (rotation des
disques de stockage) ou encore en médecine (pompe à sang)
Avantages : Ce moteur est très utilisé pour son encombrement réduit. On peut de plus facilement piloter
sa vitesse de rotation.
3
Les convertisseurs électromécaniques de puissance
3.1
Principe des convertisseurs électromécaniques
Définition. Les convertisseurs électromécaniques sont des dispositifs permettant de convertir l’énergie
électrique en énergie mécanique ou inversement à l’aide du phénomène d’induction.
Ils sont constitués d’un rotor (partie mobile) pouvant tourner autour d’un axe fixe ∆, et d’un stator (partie fixe) entourant le rotor, créant un champ magnétique à l’aide d’aimants permanents ou
d’électroaimants.
Fonctionnement moteur : L’énergie électrique
est convertie en énergie mécanique.
Puissance
électrique
absorbée
Pe
Moteur
Pm
Pp
Fonctionnement génératrice : L’énergie mécanique est convertie en énergie électrique.
Puissance
Puissance
mécanique
mécanique
utile
absorbée
Puissance perdue
Pm
Génératrice
Pp
Pe
Puissance
électrique
utile
Puissance perdue
Dans les deux cas, le rendement de la machine dépend des pertes apparaissant dans les différents organes
du convertisseur.
3.2
La machine à courant continu
I Principe de fonctionnement
#”
Dans une machine à courant continu, le stator crée un champ magnétique fixe B stator (très souvent à
l’aide d’aimants permanents ou de bobines). Le rotor est constitué de spires conductrices. Le passage d’un
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Maxime Champion
Induction 3 : Conversion électromécanique
#”
courant continu I dans les spires génère un moment magnétique M, proportionnel à I.
Fig. 5 – Principe d’une machine à courant continu.
àI
# ” #”
La spire subit un couple M ∧ B stator permettant la mise en rotation. Ce couple est alors proportionnel
C = αI .
Remarque : La spire centrale tourne alors qu’elle est alimentée de l’extérieur. Un commutateur, situé au niveau de l’axe de rotation du rotor, permet d’inverser le sens du courant dans
la spire, de façon à ce que le couple magnétique soit toujours moteur (voir l’animation [1]).
La mise en rotation de la spire provoque l’apparition d’une f.é.m induite e, et on peut montrer qu’elle
est proportionnelle à la vitesse de rotation angulaire (comme les rails de Laplace), telle que
e = −Kω .
Propriété. La tension d’alimentation permet d’agir directement sur la vitesse angulaire Le couple électromagnétique agit sur le courant.
Plus le couple demandé est important, plus le courant consommé le sera également.
Les pertes ont principalement lieu au niveau du bobinage rotorique. Le rendement est de l’ordre de
80%.
La MCC fonctionne aussi en génératrice. Une action mécanique sur le rotor permet de produire une
tension induite dans le rotor, proportionnelle à la vitesse de rotation. C’est le principe de la dynamo.
Expérience 2 : TP 26 - Pilotage d’un moteur
I Applications pratiques
Avantage : Jusqu’en 1975, c’était la seule solution permettant d’obtenir des vitesses variables (avec inversion possible du sens). C’est son principal avantage.
Limitations :
. vitesse maximale de 3000tr/min ;
. tension d’alimentation < 1500V ;
. puissance maximale < 1MW ;
. nécessite un entretien régulier (usure des balais et du collecteur) :
. impossibilité d’utilisation en atmosphère explosive (arcs électriques au collecteur).
Applications : Malgré ces limitations, les MCC restent fortement employés dans les situations suivantes :
. lorsque l’on ne dispose que d’une tension continue (appareils à pile, jouets, ...) ;
. lorsqu’une précision élevée en vitesse est demandée ;
. Lorsqu’on veut un couple élevé à l’arrêt.
Le moteur à courant continu reste utilisé dans les premiers TGV (TGV Sud Est avec 12 MCC de 535 kW).
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3.3
La machine synchrone
I Principe de fonctionnement
#”
Dans un moteur synchrone, le stator crée un champ magnétique tournant B stator l’aide de paires de
pôles (cf. section 4.2 chapitre I1). Une paire de pôles est constituée de deux bobines alimentées par le
même courant mais opposés dans le stator. Cela permet de profiter au maximum du champ magnétique.
Par ailleurs, si on dispose des paires de pôles successivement en en mettant le plus grand nombre, le champ
va tourner plus vite. La vitesse angulaire du champ tournant dépend de la pulsation d’alimentation ω = 2πf
mais aussi du nombre de paires de pôles p du stator
ΩS = ωp .
Fig. 6 – Principe d’une machine synchrone.
Le rotor est constitué de spires conductrices ou d’aimants permanents (pour les faibles puissances). Il
#”
produit un champ magnétique B rotor fixe par rapport à lui même.
#”
#”
Le moment magnétique rotorique M « s’accroche » au champ statorique B stator . Le rotor tourne donc
à la vitesse ΩS du champ tournant (vitesse de synchronisme). On pourra consulter l’animation [2]. Plus le
couple demandé et important, plus l’angle entre le champ rotorique et statorique sera important comme
c’est tracé figure 7. Pour que la machine fonctionne en moteur, il faut que cet angle soit inférieur à 90°.
Propriété. La fréquence de la tension d’alimentation agit sur la vitesse de rotation. Pour régler la vitesse,
il faut ajuster la fréquence, à l’aide d’onduleur par exemple.
Fig. 7 – Angle entre le moment magnétique et le champ rotorique pour une machine synchrone.
Les pertes ont principalement lieu au niveau du bobinage statorique et rotorique.
La machine synchrone fonctionne aussi en génératrice. Une action mécanique sur le rotor (à aimant
permanent) permet de produire une tension induite dont la fréquence est directement proportionnelle à la
vitesse de rotation (alternateur des centrales électriques).
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Induction 3 : Conversion électromécanique
I Applications pratiques
Avantages : La machine synchrone est plus facile à réaliser et plus robuste que le moteur à courant continu
et son rendement est supérieur à 90%.
Limitations :
. il faut souvent un moteur auxiliaire pour démarrer le moteur synchrone ;
. contrôle délicat de la vitesse de rotation ;
. il faut une excitation du stator et du rotor, donc 2 sources d’énergie (sauf pour les machines à aimant
permanent) ;
. si le couple résistant dépasse une certaine limite, le moteur décroche et s’arrête.
Applications : Les moteurs synchrones sont utilisés en forte puissance (de 1 à 10 MW). Il a fallu attendre
le développent de l’électronique de puissance pour commander en vitesse les moteurs synchrones (moteurs
autosynchrones ou synchrones auto-pilotés).
Le moteur synchrone est utilisé dans les TGV Atlantique (1981 : 8 moteurs de 1100 kW)
Dans le domaine des faibles puissances, les rotors sont souvent à aimants permanents ce qui permet
une meilleure régularité de la vitesse de rotation (tourne-disque, servomoteur, moteur brushless).
3.4
La machine asynchrone
I Principe de fonctionnement
Dans un moteur asynchrone, le stator est identique à celui d’un moteur synchrone. Il crée un champ
#”
magnétique tournant B stator .
Fig. 8 – Le rotor en cage
d’écureuil.
Dans une machine asynchrone, le rotor n’est lié à
aucune source d’alimentation. Il est constitué de
bobinages en court-circuit. Il existe deux types
de rotor :
. Le rotor en cage d’écureuil : il porte un
ensemble de barres conductrices, très souvent
en aluminium, logées dans un empilement de
tôles ;
. le rotor bobiné : il comporte des encoches
dans lesquelles sont logés des conducteurs formant un enroulement triphasé.
Le rotor le plus utilisé est celui à cage d’écureuil,
de par sa grande robustesse mécanique et son
faible coût.
Fig. 9 – Le rotor bobiné.
#”
Le champ tournant statorique B stator , en se déplaçant, provoque des variations de flux magnétiques
dans le rotor, et donc des f.é.m. et des courants induits. Une force de Laplace apparaît grâce à ces courants
et au champ statorique comme représenté figure 10. Le rotor se met à tourner à la vitesse Ω légèrement
inférieure à celle du champ tournant ΩS . En effet, s’ils tournent à la même vitesse, le flux magnétique dans
le stator est constant et il n’y a plus de courants induits. On définit alors le glissement g de la machine
g=
ΩS − Ω
.
Ωs
Propriété. Si le glissement est faible (fonctionnement nominal), on peut estimer que le couple moteur Γ
est proportionnel au glissement : Γ = kg. Lorsque le moteur « force », le glissement augmente et la vitesse
angulaire diminue légèrement.
Les pertes ont principalement lieu au niveau du bobinage statorique et rotorique.
La machine asynchrone ne possède pas d’aimants permanents. Ainsi, si le stator n’est pas alimenté, la
machine asynchrone ne peut pas fonctionner en génératrice. On alimente ainsi le stator avec un courant
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Induction 3 : Conversion électromécanique
Fig. 10 – Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone. Les courants dans le rotor sont induits par la
variation de flux due à la rotation du champ du stator.
« réactif ». Si la vitesse de rotation du rotor devient supérieure à la vitesse de synchronisme, il y a alors
production d’énergie électrique. Ces génératrices sont très utilisées dans l’industrie éolienne : dès que la
vitesse angulaire de celles-ci devient supérieure à celle du champ tournant, l’éolienne produit de l’énergie
électrique.
I Applications pratiques
Avantages :
. La machine asynchrone est très facile à réaliser et très robuste ;
. il n’y a pas d’alimentation du rotor donc aucun problème d’usure de collecteur ;
. sauf pour les charges élevées, le démarrage est autonome.
Limitations : La vitesse de rotation n’est pas parfaitement stable et le domaine de puissance est limité à
10 MW.
Applications : Le moteur asynchrone triphasé, dont la puissance varie de quelques centaines de watts à
plusieurs mégawatts est le plus utilisé de tous les moteurs électriques. Son rapport coût/puissance est le plus
faible. Associés à des onduleurs de tension, les moteurs asynchrones de forte puissance peuvent fonctionner
à vitesse variable dans un large domaine. Le moteur asynchrone est utilisé dans les TGV Eurostar (12
moteurs de 1020 kW) mais également en électroménager (lave-linge).
Références
[1] http://fisik.free.fr/ressources/MccComplet.swf
[2] http://fisik.free.fr/ressources/LeMoteurSynchrone.swf
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