Commande des machines Électriques - Cours - 2023-2024 - PDF

Département Génie Electrique Filière EESA 2 Pr: M. Oubella Année Universitaire 2023-2024 1 Commande des machines Electriques Moteur Asynchrone Triphasé Schémas monophasé équivalent...

Département Génie Electrique Filière EESA 2 Pr: M. Oubella Année Universitaire 2023-2024 1 Commande des machines Electriques Moteur Asynchrone Triphasé Schémas monophasé équivalent Régime permanent sinusoïdale 2  Plan 1. Introduction 2. Constitution du moteur asynchrone triphasé 3. Principe de fonctionnement 4. Bilan de puissance 5. Grandeurs caractéristiques d’un moteur asynchrone 6. Schéma équivalent monophasé du MAS 3  Introduction Définition Le moteur asynchrone est une machine tournante fonctionnant avec du courant alternatif et ayant un induit (rotor) en court-circuit. Les moteurs asynchrones à cage sont les plus utilisés pour l’entraînement des machines, représente environ 80% du parc « moteurs électriques » Avantages:  pas de balais ni collecteur, Maintenance réduite  Facile à fabriquer, Production en série  Robuste Meilleur rapport Qualité-Prix Inconvénient: Difficile à commander en forte puissance 4  Introduction Domaines d’applications Trois types de fonctionnement :  En moteur : utilisation la plus courante;  En génératrice : éolienne;  En frein : moteur frein Les moteurs asynchrones sont largement utilisés dans:  Les installations industrielles et commerciales. Domaines d’applications  L’équipement industriel (Outil électrique); du MAS  Le transport: Les voitures électriques, les transports en commun;  Logement et services publics: Ils assurent le fonctionnement des éléments importants des systèmes d’alimentation des villes: pompes, compresseurs, ventilateurs, centrifugeuses, ascenseurs…  Appareils ménagers Etc… 5 Constitution du moteur asynchrone triphasé 6  1-Constitution du moteur asynchrone triphasé Stator ou inducteur C’est la partie magnétique fixe du MAS. Elle comporte trois enroulements (bobines) décalés de 120° qui, alimentés par une tension alternative triphasée, vont produire un champ magnétique tournant autour de l’axe du stator suivant la fréquence de la tension d’alimentation. Le stator est fixé sur la carcasse. 7  Constitution du moteur asynchrone triphasé Rotor ou induit Partie libre en rotation comportant des conducteurs qui seront soumis au champ tournant. Ces conducteurs peuvent être soit des bobines (technologie en voie de disparition) soit des barres de cuivres ; on parle alors de rotor en court-circuit (ou à cage a d’écureuil). Deux types de rotors Rotor en cage d’écureuil Rotor bobiné Il porte un ensemble de barres conductrices, très Le rotor comporte des encoches dans lesquelles sont souvent en aluminium, logées dans un empilement de logés des conducteurs formant un enroulement triphasé tôles. Les extrémités des barres sont réunies par ayant le même nombre de paires de pôles que le stator. deux couronnes conductrices. Les enroulements sont généralement accessibles par Le rotor en cage d’écureuil présente une résistance l’intermédiaire de 3 bagues et de 3 balais, permettant très faible : on dit qu’il est court-circuité. ainsi de modifier les caractéristiques de la machine. 8  Constitution du moteur asynchrone triphasé Symboles électriques Les symboles électriques du moteur asynchrone dans le cas d’un rotor bobiné et dans celui d’un rotor à cage d’écureuil sont reportés sur la figure suivante : Rotor en cage d’écureuil Rotor bobiné L1 L2 L3 L1 L2 L3 M M 9  Constitution du moteur asynchrone triphasé boite à bornes Plaque à bornes Elle est située dans la boite à bornes, fixée sur la carcasse, elle comporte un ensemble de 6 bornes permettant de connecter les bobines statoriques a l’alimentation électrique en effectuant le couplage triangle ou étoile. Lorsque le moteur comporte des accessoires (protection thermique ou résistance de réchauffage), ceux-ci sont raccordes sur des dominos à vis ou des Plaque à bornes planchettes par des fils repères. 10  Constitution du moteur asynchrone triphasé Plaque signalétique ou C’est la carte d’identité du moteur, on y retrouve fréquemment : plaque d’identification N° de série Constructeur Référence moteur Masse Indice de protection Service Classe d’isolement Intensité Couplage en fonction nominale de la tension réseau Fréquence Vitesse de Puissance Facteur de du réseau rotation utile puissance 11  Constitution du moteur asynchrone triphasé Couplage Le couplage des enroulements statorique permet de faire fonctionner les moteurs asynchrones sous deux tensions. II est fonction de la tension du réseau et de la tension que peuvent supporter les enroulements. Le couplage est réalisé par une connexion, à l’aide de barrettes, sur la plaque à bornes. Méthode:  Repérer la plaque signalétique sur laquelle le constructeur a indiqué couplage Triangle : utilisé pour la tension de les caractéristiques du moteur. fonctionnement la plus basse  Extraire les indications se reportant au tension admissible couplage Étoile: par le moteur asynchrone ainsi que utilisé pour la tension de les couplages possibles. fonctionnement la plus élevée. Pour déterminer le couplage des trois barrette enroulements d'un moteur asynchrone, il faut:  Connaître la tension sous laquelle il sera alimenté.  Retrouver sur la plaque signalétique cette tension.  Lire le couplage qui lui est associé. 12  Constitution du moteur asynchrone triphasé Couplage Réseau électrique triphasé 3X400V Un réseau 230/400V 50Hz alimente un moteur portant la plaque signalétique ci-contre. L1 L2 L3 Quel est le couplage à effectuer pour que le moteur fonctionne normalement sous cette tension d'alimentation? On recherche dans la colonne tension (V) le couplage associé à la tension du réseau Le couplage Triangle est utilisé pour la tension de fonctionnement la plus basse. Le couplage Étoile est utilisé pour la tension de fonctionnement la plus élevée. Couplage étoile 13  Constitution du moteur asynchrone triphasé Couplage Un réseau 230/400V 50Hz Un réseau 127/230V 50Hz Tableau de récapitulation alimente un moteur 230/400V alimente un moteur 230/400V Moteur 127V/230V 230V/400V 400V/690V L1 L2 L3 L1 L2 L3 Réseau 127V/230V Etoile Triangle 230V/400V Etoile Triangle 400V/690V Etoile Exemple 1 Un réseau 127/230V 50Hz alimente un moteur 230/400V Couplage triangle Exemple 2 Un réseau 230/400V 50Hz alimente un moteur 230/400V Couplage étoile Couplage triangle Couplage étoile 14  Principe de fonctionnement Le principe des moteurs à courant alternatifs réside dans l’utilisation d’un champ magnétique tournant produit par des tensions alternatives. La circulation d’un courant dans une bobine crée un champ magnétique B. Ce champ est dans l’axe de la bobine, sa direction et son intensité sont fonction du courant I. c’est une grandeur vectorielle. Si le courant est alternatif, le champ magnétique varie en sens et en direction à la même fréquence que le courant. Si deux bobines sont placées à proximité l’une de l’autre, le champ magnétique B résultant est la somme des deux autres. 15  Principe de fonctionnement Dans le cas du moteur triphasé, les trois bobines (enroulements) sont disposées dans le stator, décalées de 120° et alimentées par une tension alternative triphasée. Ces trois bobines produisent un champ magnétique résultant variable qui à la particularité de tourner autour de l’axe du stator suivant la fréquence fs de la tension d’alimentation, ce champ magnétique est appelé champ statorique tournant. la vitesse de rotation Ωs de ce champ est appelée vitesse de synchronisme. s fs s  Soit encore : ns  p p ΩS : vitesse de synchronisme ( en rad/s ) ω s = 2fs pulsation du réseau ( en rad/s ) P : Nombre de paire de pôles fs : fréquence du réseau ( en Hz ). nS : fréquence de rotation du champ tournant ( en tr/s ) ou fréquence de synchronisme. 16  Principe de fonctionnement Positif Négatif U y 300 200 100 0 x 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 -100 -200 -300 V W 17  Principe de fonctionnement Positif Négatif U y 300 200 100 0 x 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 -100 -200 -300 V W 18  Principe de fonctionnement Positif Négatif U y 300 200 100 0 x 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 -100 -200 -300 V W 19  Principe de fonctionnement Positif Négatif U y 300 200 100 0 x 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 0,018 -100 -200 -300 V W Etc.… 20  Principe de fonctionnement  3 bobines forment une paire de pôles V  Une masse métallique (le rotor) est placée au centre des 3 bobines.  Le rotor subit l’influence du champ tournant. U  Le champ tournant induit dans le métal du rotor un courant électrique de très forte intensité.  Le courant électrique induit un champ W magnétique opposé au champ tournant.  Le rotor devenu magnétique va suivre le champ tournant. La pulsation des courants rotoriques:  Le rotor va tourner à une fréquence fr légèrement inférieure à celle du champ r  gs tournant. f  gf 21 r s  Vitesses de synchronisme Chaque enroulement statorique comprend P bobines en série pour faire apparaître 2p pôles (chaque bobine possédant un pôle Nord et un pôle Sud) Le champ magnétique dans le stator tourne à la vitesse de synchronisme ns (en tr/s). fs ns  p U U V U W W W V V U U V V V W W W W V U U Une paire de pôles 2 paires de pôles 4 paires de pôles 22  Vitesses de synchronisme Vitesses (fréquences) de synchronisme courantes Le champ magnétique dans le stator tourne à la vitesse de synchronisme: fs ns  (en tr/s) ou ns  60. f s (en tr/min) p p fs : fréquence du réseau ( courants inducteurs) Si la fréquence f = 50 Hz, les vitesses synchrones possibles sont : Nombre 2 4 6 8 10 12 de pôles Paires de 1 2 3 4 5 6 pôles nS (tr/s) 50 25 16,7 12,5 10 8,33 nS 3000 1500 1000 750 600 500 (tr/min) 23  Glissement Les trois enroulements du stator créent un champ magnétique tournant. Les conducteurs de rotor, mis en court-circuit, sont le siège de courant induit. Le rotor, traversé par les seuls courants de Foucault, tourne à la fréquence n < nS. On dit que la rotation est asynchrone. Le rotor glisse par rapport au champ tournant.  On définit le glissement par la relation : Le glissement mesure l'écart avec relatif entre la vitesse de rotation du moteur et la vitesse de synchronisme.  Exemple: Sur cette plaque signalétique d’un moteur, on lit que la vitesse du moteur est de 1390 tr/min. La vitesse de synchronisme directement supérieur, en 50 Hz est 1500 tr/min. On en déduit que le moteur a 2 paire de pôles et que: 1500  1390 g  0 ,074 soit 7 ,4% 1500 24  Glissement Glissement ns  n  s   g  ns s  Au démarrage: g =1 n=0  En rotation : g < 1 tant que le MAS n’est pas entrainé par la charge  En régime nominal: g = 3 à 10% 0  g 1  À vide: n  ns  g  0  A vide un moteur asynchrone tourne pratiquement à la vitesse de synchronisme.  À n > ns  g < 0  génératrice Fréquence rotorique  On défini la vitesse de rotation du rotor par rapport à la vitesse du champ tournant : n  ns 1  g  ou    s 1  g  25  Bilan des puissances Entrefer Puissance Pa STATOR Puissance Ptr Puissance Pm Arbre du Puissance absorbée transmise ROTOR utile Pu mécanique ROTOR Perte Perte Perte Perte Perte Joule Fer Joule Fer méca- Stator Stator Rotor Rotor nique PJS PfS PJr Pfr Pmec Toutes les puissances mises en jeu dans ce bilan peuvent être calculées à partir des relations qui suivent: 26  Bilan des puissances Puissance absorbée U : tension composée donc entre phases (V ) V : tension simple donc aux bornes d'un enroulement (V ) (W) avec I : courant en ligne ( A) J : voir courant dans un enroulement ( A) cos(φ) : facteur de puissance sans unité Pertes au stator Pour un moteur en charge : Pjs et Pfs : ce sont les pertes par effet Joule et les pertes fer ( magnétiques ) au stator. Les pertes fer dépendent de la valeur efficace de la tension aux bornes des enroulements et de la fréquence du réseau. En étoile En triangle Si R est la résistance entre phase du stator et I l’intensité en ligne alors : r : résistance d’un enroulement entre le neutre et la phase (Ω ); R : résistance entre deux bornes de phase du stator (Ω ). avec J : courant par phase ( A) ; I : courant en ligne ( A). 27  Bilan des puissances Puissance Transmise au rotor (W) avec Tem : Couple électromagnétique (N.m ) ΩS : Vitesse de synchronisme (rad/s ) Puissance transmise à l’arbre du rotor Pertes au rotor Puissance électromécanique transmise à l’arbre du rotor.  Les pertes électriques au niveau du rotor sont les pertes par effet Joule : Le rotor tourne à la vitesse Ω, vitesse du moteur asynchrone et développe le couple électromagnétique Tem.  Les pertes fer rotor Pfr sont négligeables. Puissance utile Pertes mécaniques (W) Pméc  Ptr  Pu  Tem  s  Tu  Tu : Couple utile (N.m )  Les pertes mécaniques sont dues aux avec Ω: Vitesse du rotor (rad/s ) frottements et sont fonction de la vitesse. 28  Bilan des puissances Rendement (%) Fonctionnement à vide  A vide le moteur n'entraine aucune charge.  Conséquences : car I0 est négligeable Un essai à vide permettra de déterminer les pertes collectives 29 Bilan des puissances 30  Grandeurs caractéristiques du MAS Les principales caractéristiques d’un moteur asynchrone triphasé sont:  Le couple nominal (Tn) en Newton Mètre (Nm)  La fréquence de rotation (n) en Tour par minutes (tr/min )  L’intensité absorbée (I) en ampères (A) 31  Grandeurs caractéristiques du MAS Caractéristique mécanique T=f(n) Caractéristique mécanique T=f(g) Tud Remarques :  Pour n = 0 , le moment du couple utile : Tu = Tud qui n’est pas nul. Le moteur présente à l’arrêt ( n = 0 ) un couple important.  Pour g faible, la caractéristique mécanique du moteur asynchrone est assimilée à une droite décroissante qui correspond à la zone utile de la caractéristique. 32  Grandeurs caractéristiques du MAS Point de fonctionnement d’un moteur asynchrone Fonctionnement en charge Le moteur est maintenant chargé, c'est-à-dire que l’arbre de ce dernier entraine une charge résistante qui s’oppose au mouvement du rotor. En régime permanent, Le couple moteur sera Tud égal au couple résistant : Tu = Tr Le point de fonctionnement se trouve sur Tu = Tr l’intersection de la caractéristique mécanique du moteur et de la courbe qui caractérise le couple résistant de la charge. Le point de fonctionnement (T ; n) permet de calculer très facilement le glissement et la puissance utile dans ce cas bien précis. 33  Modélisation du moteur asynchrone Schéma équivalent Analogie avec un transformateur Partons de l’étude réalisée autour des transformateurs et analysons le fonctionnement d’une MAS : Pertes Joule Fuites magnétiques ou cuivre F c a r Pertes fer ou Inductance Transformateur magnétique magnétisante parfait 34  Modélisation du moteur asynchrone Schéma équivalent monophasé du MAS Le schéma fonctionnel du Moteur asynchrone, représente le fonctionnement en régime permanent sinusoïdal, lorsque la vitesse de rotation et donc le glissement sont devenus constants. Une phase d’un moteur asynchrone peut être vue comme un transformateur, dont la pulsation du secondaire serait égale à gꞷs, et dont le secondaire serait court-circuité. V1a Rotor en court-circuit 35  Modélisation du moteur asynchrone Schéma équivalent monophasé du MAS I2 En ramenant les impédances du secondaire au primaire, on V2 aboutit alors au schéma ci-contre Modèle simplifié d’une phase de machine asynchrone câblée en étoile 36  Modélisation du moteur asynchrone Schéma équivalent monophasé du MAS V 1  R1 I 1  jL1 s I 1 I2  Or r  gs 0  R2 I 2  jL2r I 2 On retiendra donc le V 1  R1 I 1  jL1s I 1 V2  schéma monophasé  R2 équivalent simplifié 0  g I 2  jL2s I 2  Expression du courant I2 Expression du couple Cem en régime permanent R2 V2  I 2  jL2s I 2 g Ptr  Cem  s Cem  3 pR2 V22  gs  R  2  R2 2  2   L2s  Ptr  3 g I 2 2 V2 I2    g  2  R2     L2 s  2 s  g  avec  s  p 37  Modélisation du moteur asynchrone Schéma équivalent monophasé du MAS Expression du couple électromagnétique Cem Si on néglige les chutes du stator (R1 =0)  V1 = V2  3 pV12 2Cmax Cmax  3 pR2 V12 Cem   2s L2s  Cem  g g max Avec  gs  R  2   g  R2  2   L2s  2 g max g  max L2s  g  Formule de Kloss L’allure du couple en fonction du glissement Domaine de fonctionnement Selon la valeur du glissement, la MAS peut avoir trois régimes de fonctionnement :  Pour 𝒈 > 𝟏 Le rotor de la machine tourne en sens inverse du champ tournant et est soumis à un couple de freinage ;  Pour 𝟏 > 𝒈 > 𝟎 La machine fonctionne en régime moteur ;  Pour 𝒈 < 𝟎 Le couple change de signe et la machine asynchrone fonctionne en génératrice asynchrone. génératrice moteur freinage 38  Modélisation du moteur asynchrone Schéma équivalent monophasé du MAS Expression du couple électromagnétique Cem Domaine de fonctionnement 3 pR2 V12 2Cmax Cem  Cem  Selon la valeur du glissement, la MAS peut avoir trois gs  R  2 g g  2   L2s   max régimes de fonctionnement : 2  g  g max g  Pour 𝒈 > 𝟏 Le rotor de la machine tourne en sens inverse du champ tournant et est soumis à un couple  3 pV12 de freinage ; Cmax   2s L2s   Pour 𝟏 > 𝒈 > 𝟎 La machine fonctionne en régime Avec  moteur ;  g  R2  max L2s  Pour 𝒈 < 𝟎 Le couple change de signe et la machine asynchrone fonctionne en génératrice asynchrone. 𝒈𝟏 0