Cours 7_E2081_24_24_apres PDF

 Machines tournantes triphasées Deuxième Bachelier Électromécanique Machines tournantes Octobre 2024 2  Objectifs du cours Machines Tournantes: Méthodes de démarrage ❖ Démarrage Y-D ❖ Démarrage par démarreur progre...

 Machines tournantes triphasées Deuxième Bachelier Électromécanique Machines tournantes Octobre 2024 2  Objectifs du cours Machines Tournantes: Méthodes de démarrage ❖ Démarrage Y-D ❖ Démarrage par démarreur progressif ❖ Par résistances rotoriques ❖ Par variateur de vitesse 3  Moteur asynchrone - Choix d'un moteur Le moteur 1 déploie un couple supérieur à la charge pendant toute la phase de démarrage, jusqu'à ce qu'il arrive dans la zone de fonctionnement. Le point de fonctionnement est sur le couple nominal. Le moteur 1 est donc parfaitement adapté. Le moteur 2 peut démarrer mais il s'arrête très vite parce que sa courbe passe en dessous de la courbe de charge. Il ne déploie donc pas le couple suffisant pour entraîner la charge. Comme le point d'intersection est hors de la zone de fonctionnement, le moteur s'arrête. Le moteur 2 n'est donc pas adapté. Le moteur 3 n'est même pas en mesure de démarrer parce qu'il déploie un couple inférieur à la charge dès le démarrage. Le moteur 3 n'est donc pas adapté.  Devoir pour le 21/10 On considère l’ installation électrique d’une mini usine alimentée au réseau triphasé 400 V. L’usine possède des machines tournantes et elle consomme en moyenne un courant de ligne de 100 A, pour un facteur de puissance cos ϕ = 0,7 AR ( courant en retard sur la tension). Pour améliorer le facteur de puissance de l’installation afin de répondre aux exigences du distributeur, on ajoute à l’entrée de l’installation un récepteur triphasé équilibré composé des capacités ( une batterie des condensateur). 1) Calculer la puissance active consommée par l’installation avec la batterie des condensateurs couplée. 2) Déterminer (indication : en appliquant la théorème de Boucherot) le courant I’ absorbé par l’installation après couplage des condensateurs lorsque ceux-ci relevent à 0.928 ( AR) le facteur de puissance de l’installation. 3) Calculer la valeur de la puissance réactive Qc de la batterie des condensateurs ainsi que la capacité C de chacun des condensateurs : a. Lorsque les condensateurs sont couplé en étoile b. Lorsque les condensateurs sont couplés en triangle 4) Lequel de ces deux couplage vaut-il mieux choisir pour le relèvement du facteur de puissance ? Reponses : P = 48,5 kW ; I’ = 75,4 A ; Qc = - 30 kVAr; Cy = 597 µF; CD = 199 µF 5  Moteur asynchrone - Méthodes de démarrage La durée du démarrage = le temps nécessaire pour atteindre la vitesse de régime Le courant de démarrage au démarrage direct sur le reseau - ID est 5 à 10 fois le courant nominal IN. Apres la phase de décollage, l’ensemble accélère jusqu’à ce que le couple résultant s’annule ( le point de fonctionnement P) et que la vitesse se stabilise à la vitesse de régime, n 𝑑Ω𝑟 Ω𝑟 On a à chaque instant Cm – Cr = J 𝑡=𝐽 𝑑𝑡 𝐶𝑎 Ca - couple d'accélération; Ca = Cm – Cr J - le moment d'inertie du système rotor et machine entraînée [kg*m2] Les conditions de démarrage : assurer un démarrage à-coup, avec un temps raisonnablement court sans imposer des choques mécaniques à l’arbre Cmd /Crd = 1,5 à 2,5 On constante que le temps du démarrage (t) dépends : C = an+b 1) du moment d’inertie global (plus le system est lourd et plus t est grand) 2) surtout du régime de fonctionnement (à vide le temps de démarrage est minimal et il est bien plus long pour une charge nominale) Moteur asynchrone démarrage Le choix d’un démarreur sera lié : à la nature de la charge à entraîner au type de moteur asynchrone à la puissance de la machine à la puissance de la ligne électrique à la gamme de vitesse requise pour l’application. Pour réduire la pointe de courant du au démarrage, Id, on peut agir sur la U ou la Rr: Agir sur le stator : sur la tension d’alimentation statorique U Démarrage Y-D Démarrage par élimination des résistances statoriques Démarrage par autotransformateurs 3 ⋅ 𝑈 2 ⋅ 𝑅𝑟 𝐶𝑑 ≈ Démarrage par démarreur progressif 𝑔 ⋅ Ω𝑠 ⋅ 𝑋𝑟2 Agir sur le rotor : sur la résistance rotorique La résistance rotorique Le rotor à double cage (constructivement) Moteur asynchrone - Démarrage sous tension réduite Réduire la tension U d’alimentation du stator diminue Id (courant au démarrage) mais réduit en même temps le Cd (le couple au démarrage) 1 3 ⋅ 𝑈 2 ⋅ 𝑅𝑟 Id  U, f= 𝐶𝑑 ≈ 𝑅 (𝑅𝑠𝑡+ 𝑔𝑟)2 +𝐿𝜔𝑠 2 𝑔 ⋅ Ω𝑠 ⋅ 𝑋𝑟2 Id – direct proportionnel de U et d’un facteur f Un tel démarrage n'est donc acceptable que SI la machine accouplée au moteur a un faible couple résistif Cr aux faibles vitesses  Moteur asynchrone - Démarrage sous tension réduite Cr – possible à entrainer par le moteur avec un démarrage à tension réduite Couple proportionnel à la vitesse - Ce type d’entraînement est peu fréquent; il concerne des machines qui tournent lentement, avec des tambours de grandes dimensions (machines à polir, à rendre les tissus brillants, etc.), le frottement étant proportionnel à la vitesse. Couple proportionnel au carré de la vitesse - Cet entraînement est fréquent, car il concerne les machines qui tournent vite (ventilateurs, soufflantes, etc.), le frottement étant alors proportionnel au carré de la vitesse; pour cette raison on l’appelle couple ventilateur. Couple inversement proportionnel à la vitesse - Cet entraînement Cr = K/n rencontre quand on déroule un produit (tôle, papier, fil, etc.) d’un premier tambour afin de l’enrouler sur un deuxième tambour. Cet entraînement fonctionne à puissance constante. Couple constant - Ce couple est indépendant de la vitesse, aussi la puissance reçue est proportionnelle à la vitesse. Ce fonctionnement est applicable à la plupart des engins de levage. 9  Moteur asynchrone - Démarrage sous tension réduite 3 ⋅ 𝑈 2 ⋅ 𝑅𝑟 Démarrage étoile – triangle ( diminuer la tension d’alimentation) 𝐶𝑑 ≈ 𝑔 ⋅ Ω𝑠 ⋅ 𝑋𝑟2 Ce mode de démarrage n'est utilisable que si les deux extrémités de chaque enroulement sont accessibles. De plus, il faut que le moteur soit compatible avec un couplage final en triangle (un moteur qui doit être normalement couplé en Δ sur le réseau, U) Un commutateur permet de brancher, pendant le démarrage, le stator en étoile et après un temps le recoupler en triangle. On peut réduire le courant de démarrage Id = 1,5 - 2,5 In; mais malheureusement aussi le couple de démarrage Cd = 0,2-0,5 Cn 𝑈 En Y : Chaque enroulement, placé sous la tension U’ = absorbe un courant divisé de phase en  par 3. 3 Couplage final On réduit la U du moteur  d’Alim du 𝑈′ 𝑈 𝐽Δ stator du 𝐼Υ = 𝐽Υ = = = 𝑍 3⋅𝑍 3 moteur en Y I 𝐶𝑑∆ IY =  → 𝐶𝑑Υ = 3 3 Conclusion : Le courant et le couple de démarrage sont réduits par trois  Moteur asynchrone - Démarrage sous tension réduite Démarrage : étoile – triangle :U d’un enroulement est divisé par par 3, Cd est divisé par 3. Cr Il faut donc que le Cd reste supérieur au Cr N∆NY A la fin du démarrage en étoile (au moment ou le Cm et le Cr s’équilibrent), on obtient la vitesse NY (75% - 85% Nn) ; on commute les enroulements en triangle et la vitesse tend vers N∆. Mode de démarrage simple mais conduit à un faible Cd et à un brutal régime transitoire On peut utiliser une variante lors du passage d’étoile à triangle. permettant de limiter ces Il peut être réalisé seulement si le moteur peut fonctionner en couplage phénomènes transitoires triangle sur le réseau d’alimentation !!!  Moteur asynchrone Plusieurs Solutions Démarrage étoile-triangle avec temporisation au passage du couplage Y au D la temporisation est d'environ 1 à 2 secondes Ce système ne peut s'appliquer que sur des machines à couple résistant très faible et inertie suffisante pour éviter une baisse de vitesse trop importante pendant la temporisation. Démarrage sans coupure: couplage étoile – triangle + résistances – triangle. Les résistances sont branchées immédiatement avant le passage au couplage triangle et sont ensuite éliminées  Moteur asynchrone Agir sur U alim - Démarrage par gradateur (à thyristors ou triacs) - démarreur progressif U ↗, progressive à f-fixe Id = 2 - 5 In ; Cd = 0,1 – 0,7 C démarrage en direct La consigne de démarrage permet de régler la pente d’un signal en forme de rampe (U en fonction du temps), à la fin du démarrage les thyristors sont en pleine conduction) Pour faire varier la tension, il suffit de faire varier le temps de conduction des thyristors. Le démarreur progressif assure la protection thermique du moteur et du démarreur La protection mécanique de la machine entraînée, par suppression des à-coups de couple et réduction du courant d’appel. Il peut être court-circuité en fin de démarrage par un contacteur tout en conservant la maîtrise du circuit de commande Moteur asynchrone Agir sur le rotor - Démarrage d'un moteur à bagues par résistance rotoriques on peut utiliser un rhéostat rotorique qui agit sur le glissement : si R augmente, on peut alors augmenter le couple au démarrage et réduire l’appel du courant En résumé une résistance du rotor relativement élevée donne un bon couple de démarrage tout en réduisant le courant correspondant Par contre en régime normal on désire une résistance basse, car la vitesse demeure plus stable, Pjr plus petites, le η est meilleur Moteur asynchrone Variation de la résistance rotorique – démarrage et freinage Cmax ≠ f(Rr) 3 ⋅ 𝑈 2 ⋅ 𝑅𝑟 𝐶𝑑 ≈ g = f(Rr) 𝑔 ⋅ Ω𝑠 ⋅ 𝑋𝑟2 AVANTAGES procédé utilisable quelle que soit la charge puisqu'on reste toujours dans la partie stable de la caractéristique. Les pertes joules liées à l'augmentation du glissement sont dissipées dans le rhéostat de démarrage et non plus dans le rotor lui-même. Il n'y a pas de perturbations du réseau dues aux harmoniques. Moteur asynchrone démarrage et freinage démarreur progressif Chaque phase du gradateur est composée de deux thyristors montés en parallèle inverse. Variation de la résistance rotorique Pour faire varier la tension, il suffit de faire varier le temps de conduction des thyristors. Plus l’instant de l’amorçage est retardé, plus la valeur de la tension résultante est faible. AVANTAGES procédé utilisable quelle que soit la charge L’amorçage des thyristors est géré par un microprocesseur. puisqu'on reste toujours dans la partie stable de la caractéristique. η diminue Les pertes joules liées à l'augmentation du Pertes au rotor plus importantes car elles aussi dépendent du glissement glissement sont dissipées dans le rhéostat de Le gradateur est un convertisseur très polluant car il produit de démarrage et non plus dans le rotor lui- nombreuses harmoniques qui perturbent le réseau et diminue encore la même. performance du moteur. Il n'y a pas de perturbations du réseau dues aux harmoniques. Moteur asynchrone Pu = Pa - PfSt - PJS - PfR - PJR – PV = Cu. Ωr 1) le couplage du moteur Couplage étoile la vitesse de synchronisme 1500 tr/min 2) A VIDE : ? les pertes Joule statoriques à vide : PJst0 = 3RI² = 3× 0 ,70 × 5,35² = 60 W (couplage étoile) !!! Si au lieu de R on donne r (mesurée aux bornes du stator couplé: CHOISIR l’autre relation pour les pertes) ? les pertes fer statoriques sachant que les pertes mécaniques s’élèvent à 500 W. Bilan de puissance : à vide, la puissance utile est nulle à vide , on peut supposer que les pertes Joule au rotor sont nulles puisque le glissement est quasiment nul, ainsi le bilan de puissance à vide : PfR = 0 PJr0 = g. Pt Pa0= Pfst +PJst0+PV(ou mécaniques) Pfst = 845 – 60 – 500 = 285 W 3) Calculer à charge nominale: les pertes Joule statoriques en charge PJst = 3RI² = 3×0 ,70×16,5² = 572 W la puissance absorbée Pa = 3×U×I×cos ϕ = 3 ×400×16,5×0,83 = 9,488 kW la puissance transmise au rotor (les pertes fer statoriques sont les mêmes qu’à vide) Bilan de puissance : Pt = 9488 – 285 – 572 = 8,631 kW Pt = Pa - Pfst - PJst 𝑛𝑠 − 𝑛𝑟 le glissement 100 x (1500 – 1400) / 1500 = 6,67 % 𝑔= ⋅ 100 𝑛𝑠 les pertes Joule rotoriques en charge PJr = 0,0667×8631 = 575 W PJr = g. Pt la puissance utile en bout d'arbre (les pertes mécaniques sont les mêmes qu’à vide) PfR = 0 Pu = Pa - Pfst - PJst - Pfr - PJr – PV(ou mécaniques) = Cu. Ωr Bilan de puissance : 8631 – 575 – 500 = 7,556 kW le moment du couple utile Cu = 7556 / (1400×2π/60) = 51,5 Nm 60 ⋅ 𝛺 𝑛= 2⋅𝜋 le rendement 7556 / 9488 = 79,6 % Moteur asynchrone Réglage de la vitesse 60  f s 60  f n = n s  (1 − g ) ns = n=  (1 − g ) p p Pour régler la vitesse du moteur on peut donc modifier : Le nombre de pôles: Le système le plus utilisé est le moteur Dahlander (paragraphe 3.17.1 du Sylabus, Moteur à enroulement commutable modification des connexions entre les bobines d'une même phase du stator: grande vitesse et petite vitesse ½*p; Variation de la vitesse par modification du nombre de pôles: seulement pour le moteur à cage car le nombre de pôles du rotor s'adapte automatiquement au nombre de pôles du stator Le glissement (variation de la U alim- démarreur progressif, ou par variation des résistances Rotoriques) La fréquence de l'alimentation ( variateur de vitesse) Moteur asynchrone Variation de la vitesse par action sur la fréquence – le variateur de vitesse en alimentant le moteur sous une fréquence variable au moyen d’un convertisseur ou d’un onduleur autonome, le pilotage de la vitesse des moteurs asynchrones se fait électroniquement grâce à des variateurs de vitesse (2 parties : partie commande; la partie puissance) Exemple : Au niveau des ascenseurs, plusieurs possibilités de fonctions existent pour les variateurs de vitesse actuels: l’accélération contrôlée, la décélération contrôlée, la variation et la régulation de vitesse, l’inversion du sens de marche, le freinage d’arrêt.  Moteur asynchrone - les variateurs de vitesse Boucle ouverte Boucle fermée 22  Moteur asynchrone - variateurs de vitesse (utile au labo) Convertisseur de puissance : une excellente solution pour la plupart des entraînements à vitesse variable Les variateurs de vitesse destinés à alimenter les MAS un redresseur, génère une tension continue à ondulation résiduelle (le signal n’est pas parfaitement continu). Le redresseur peut être de type commandé ( à thyristors) ou pas ( à diodes) un circuit intermédiaire agissant principalement sur le “lissage” de la tension de sortie du redresseur (améliore la composante continue). Le circuit intermédiaire peut aussi servir de dissipateur d’énergie lorsque le moteur devient générateur d’un onduleur qui engendre le signal de puissance à tension et/ou fréquence variables, d’une électronique de commande pilotant (transmission et réception des signaux) le redresseur, le circuit intermédiaire et l’onduleur.  Moteur asynchrone - les variateurs de vitesse Les variateurs de vitesse destinés à alimenter les moteurs à cage sont des convertisseurs de fréquence (CDF) – stratégie : maintenir le flux constant Ils se classent en : onduleur à onde de tension ( le redresseur agit comme une source de tension à onde rectangulaires), onduleur à onde de courant ( le redresseur agit comme une source de courant), onduleur à modulation de largeur d'impulsions (MLI) Source « Electrotechnique », Wildi § 44.14 U = 400 V, f = 60 Hz U = 200 V, f = 30 Hz 24  Moteur asynchrone Variateur de vitesse utilisant un redresseur et un onduleur autonome R, Resistance de dissipation + T, interrupteur électronique C, condensateur aide à maintenir U = const L - bobine de lissage, aide à maintenir I = const !!!! On ne peut pas récupérer de l'énergie en cas de freinage Les variateurs de vitesse de faible ou de moyenne puissance, de moins d’un kW à plus d’un MW. Il a donc l'avantage d'être un produit bien standardisé et d'un coût très raisonnable. Ce type de convertisseur est réversible: il permet donc le Application: industrie ou il faut commander simultanément la vitesse de plusieurs freinage avec récupération. moteurs, fonctionner à la même U. Application: Pour alimenter un seul moteur. L’inconvénient de ce convertisseur est de ne pas permettre la récupération d'énergie lors du freinage (à cause du redresseur à diodes). Si on veut recuperer l'énergie, un L’inconvénient est que le courant est rectangulaire, ce qui autre onduleur en antiparallèle avec le redresseur doit être prévu (plus couteux) donne des pertes supplémentaires dans le moteur 25  Moteur asynchrone - variateurs de vitesse (utile au labo) Variation de la vitesse par action sur la fréquence; Le circuit de commande ne fait pas partie du circuit puissance du variateur de vitesse. Ce circuit doit garantir quatre fonctions essentielles : La commande des semi-conducteurs du variateur de vitesse. L’échange d’informations de commande, de régulation et d’analyse avec les périphériques. Le contrôle des défauts (interprétation et affichage). La protection du variateur de vitesse et du moteur. Lorsqu'on envisage de faire varier la vitesse par action sur la fréquence, on cherche à ce que le moteur développe le couple maximum à toutes les fréquences 3∙𝑈² 𝐶𝑚𝑎𝑥 = 𝑋𝑟 = 𝜔 ∙ 𝐿𝑟 2∙Ω𝑆 ∙𝑋𝑟 La régulation de vitesse de moteurs triphasés à courant alternatif évolue selon deux principes de commandes différents: 𝑈 𝑓 = 𝐶 𝑡𝑒 (Scalaire) : le flux nominal const , à couple const la commande vectorielle de flux (VVC : Voltage Vector Control) ou CVF (contrôle vectoriel de flux)  Moteur asynchrone - variateurs de vitesse (utile au labo) 𝑈 Variation de la vitesse par action sur la fréquence ( = 𝐶 𝑡𝑒 ) 𝑓 f ≤ 50 Hz : les caractéristiques mécaniques restent parallèles à celle à 50 Hz, (variation à couple constant) Ce mode de fonctionnement est intéressant pour des charges à couple constant tels que les ascenseurs f > 50 Hz : on ne peut plus augmenter la tension au-delà de la tension nominale (correspondant au fonctionnement à 50 Hz); le couple maximum va donc diminuer, variation à puissance constante Le contrôle de la vitesse par un variateur de fréquence et de tension ont les avantages : la limitation du courant de démarrage (de l’ordre de 1,5 fois le courant nominal); un couple relativement constant quelle que soit la vitesse du moteur La commande scalaire permet un control du couple en régime permanent L’apparition des régimes transitoires non contrôlés est alors la source d’une détérioration des performances Moteur asynchrone - variateurs de vitesse (utile au labo) Variation de la vitesse par action sur la fréquence (la commande vectorielle de flux) Pour ce type de commande: il est nécessaire de fournir des indications précises sur les paramètres du moteur (encodage de la plaque signalétique) la commande vectorielle agit selon le principe de calcul de la magnétisation optimale du moteur à différentes charges à l’aide de paramètres de compensation permettant de contrôler le glissement et la charge du moteur La commande vectorielle travaille avec les valeurs des courants actifs, de magnétisation (flux) et du couple. Par un modèle mathématique approprié, il est possible de commander le couple instantané : en fonction des vecteurs du flux statorique et du courant rotorique et ce afin d’optimiser et réguler le champ magnétique et la vitesse du moteur en fonction de la charge Un moteur asynchrone triphasé tétrapolaire est alimenté par un réseau 380 V, 50 Hz. La résistance du stator mesurée entre deux fils de phase avec le couplage réalisé, est de 0,9 Ω. En fonctionnement à vide, le moteur absorbe un courant de 3 A et une puissance de 420 W. 1. Calculer les pertes fer du stator et les pertes mécaniques en les supposant égales. 2. En charge nominale, la puissance utile sur l’arbre du rotor est de 4 kW, le facteur de puissance de 0,85 et le rendement de 0,87. 1. Calculer l’intensité du courant absorbé. 2. Calculer les pertes Joule au stator. 3. Calculer les pertes Joule au rotor. 4. Calculer le glissement et la vitesse du rotor exprimée en nombre de tours par minute. 5. Calculer le couple utile. I ?? W PJS  Etudes des circuits à courant triphasés Exercice N°33 page 33 Une petite installation, alimentée par un réseau triphasé 230/400 V comporte : 150 lampes de 100 W chacune montées entre phase et neutre de façon à équilibrer les phases un moteur produisant à 1450 min-1 un couple de 100 Nm avec un rendement de 0,9 et un cos  égal à 0,85 un moteur qui soulève une charge de 500 kg à la vitesse de 0,85 m/s. Le moteur a un rendement de 82 % et un facteur de puissance de 0,79. une batterie de 9 condensateurs de 20 µF chacun, associés par trois en parallèle, l’ensemble étant couplé en triangle trois bobines couplées en étoile ayant chacune une résistance de 5  et une inductance de 10 mH. Calculez le courant absorbé par l’installation et son FP. 31  Etudes des circuits à courant triphasés Exercice N°33 page 33 M1 M2 3 3 L1 L2 L3 N 50 50 50 lampes lampes lampes 32  Etudes des circuits à courant triphasés Exercice N°33 page 33 33  Etudes des circuits à courant triphasés Exercice N°33 page 33 34  Etudes des circuits à courant triphasés Exercice N°33 page 33 35  Etudes des circuits à courant triphasés Exercice N°33 page 33 60° 36  Etudes des circuits à courant triphasé Exercice N°33 page 33 37 38  Moteur asynchrone Agir sur U alim - Démarrage statorique sur résistances ou inductances U ↘ la tension au stator en insérant des R ou des inductances en série avec les enroulements du stator, Id ↘. Le Cd est réduit dans un rapport réglable. Lorsque la vitesse se stabilise les R sont éliminées et le moteur est couplé directement sur le réseau Le couplage des enroulements du moteur n’est pas modifié. Les 2 extrémités de chaque enroulement doivent être sorties sur la plaque à bornes. Id=4,5 In; Cd=0,75 Cn Cd est réduit et une énergie importante est dissipée par effet Joule dans les résistances. Insertion des inductances - est meilleure sur le plan énergétique, mais le couple de démarrage reste toujours très limité. La mise en vitesse est progressive et sans à-coups, pas de coupure. Ce procédé de démarrage convient bien pour les machines à couple résistant croissant avec la vitesse (Exemple: ventilateurs) Inconvénient: Ce mode de démarrage ne peut être utilisé que pour des moteurs à basse tension de faible puissance (Cd trop bas)  Moteur asynchrone Agir sur le rotor - Démarrage d'un moteur à double cage (cage de démarrage et cage de travail) Il comporte deux cages coaxiales, re >>> ri, Le