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Conseil et formationConseil et formationen ingénierie électriqueen ingénierie électrique
Machines tournantes et variation de vitesse
2
Plan de la présentation
Motorisation
Commande des machines
Machine à courant continu
Machine à courant variable
Principe de fonctionnement des moteurs électriques
- Uniquement machine asynchrone
Conversion alternatif/alternatif
Conversion alternatif/continu
- démarreur statique
- convertisseur de fréquence
Mise en œuvre des machines
3
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines
Une vision simple mais efficace de la machine tournante
N
S
N
S
Dipôle magnétique N°1 avec possibilité de rotation autour
d'un axe fixe
Dipôle magnétique N°2 en rotation autour du même axe
fixe
Modèle électromécanique
de toutes les machines tournantes
Magnétisation principale (mais pas nécessairement tournante) de la machine
Lié à l'arbre sur lequel il y a production de couple
N
N
S
S
4
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
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
La roue polaire ou inducteur tournant
Le stator triphasé de la machine
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines
5
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation 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
N
N
S
SEtat magnétique permanent de la
MCC grâce à l'inversion électromécanique collecteur-balais
6
Résumé de la vision simple :
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines
machines synchrones et asynchrones
N
N
S
S
Les deux aimants "fictifs" sont en rotation
machines à courant continu
N
N
S
S
Les deux aimants "fictifs" sont fixes
Dans tous les cas une seule partie mécanique en mouvement : le rotor
7
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantesmagnétisation des machines
Modèle adapté à la magnétisation des machines tournantes
Une phase statorique de MAS
Roue polaire lisse de MS
Inducteur de MCC
NS
NS
NS
entrefer
8
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines
Contraintes sur les bobinages magnétisantsPour toutes les machines, le choix de bobinage magnétisant va fortement influencer les principaux paramètres de fonctionnementDans 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
La loi de Lentz (1), intégrée sur l'espace et le temps donne pour toutes les machines la valeur de la FEM (E en Volts) qui intervient dans le schéma électrique équivalent
(1) )(
dtt
e
MAS et MS MCC
.)....2.(.22,2 fmqpKE
pôleun sous efficaceflux
onalimentatid' fréquence f
faisceauun dans sconducteur de nombre m
encochesd'ou faisceaux de nombre q
pôles de paires de nombre p
encoches deson distributi la à liét coefficien
K
...2.2
nNEap
pôleun sousflux
(rd/s)rotation de n vitessse
sconducteur de nombre totalN
tenroulemend' voiesde nombre a
pôles de paires de nombre p
9
Si m définit le mouvement relatif des conducteurs magnétisants devant les conducteurs actifs, on peut définir, dans l'étude mathématique de toutes les machines e = p.m 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
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes magnétisation des machines
m = e/p donne par dérivation par rapport au temps la relation fondamentale des machines synchrones et asynchrones (1) :
n = f/p (1)
10
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
11
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
12
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production du couple MCC
MCC, moteur ou générateur
...2.2
nNEap
pôleun sousflux
(rd/s)rotation de n vitessse
sconducteur de nombre totalN
tenroulemend' voiesde nombre a
pôles de paires de nombre p
Dans les deux cas, le fonctionnement de la machine et les caractéristiques du couple sont régis, en régime permanent par les 4 équations
Pméca = Pélec
Et le bilan de puissance
EIr
IrEU
.nt généraleme
et induit d' résistancer
induitd'courant I
induit,l' de bornesaux tension U
.(2)
Pméca = T.n (3)
Pélec = U.I (4)(1)Soit E = k.n
13
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production du couple MCC
en régime dynamique
Schéma équivalent
i(t)
R i(t) L di/dt E
u(t)
u = R i + L di/dt + E
Résistance d'induit
Inductance d'induit
FEM
14
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production du couple MCC
Les équations précédentes conduisent aux résultats fondamentaux de la MCC
T = k.I
T = k/r(U-k.n)
E = k.n
Pilotage de la vitesse par la tension aux bornes de l'induit
Pilotage du couple par le courant dans l'induit
Soit le réseau de caractéristiques couple-vitesse à courant magnétisant donné et pour différentes tensions d'induit
0 1000 20000
50
100
Vitesse (tr/mn)
Co
uple
(N
.m)
T( ),200 n
T( ),150 n
T( ),100 n
T( ),50 n
n
15
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) .
Dans le fonctionnement en générateur, il faut entraîner le rotor à une vitesse supérieure à celle du synchronisme
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 ( où Tm = Tr) et < s
16
Principe de fonctionnement des machines électriques tournantes Production du couple MAS
Schéma équivalent pour une phase, en régime triphasé équilibré
R1 L1 L2R2
R2.(1-g)/g
Lm RfV1(t)
Résistance statoriqueInductance de fuites statorique
Inductance magnétisante Pertes fer
Inductance de fuites rotorique
Résistance rotorique
Puissance électrique active transmise au rotor fournissant la puissance mécanique sur l'arbre
17
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 :
1000 0 1000 2000 3000 400050
0
50
Vitesse (tr/mn)
Cou
ple
(Nm
)
T = f()Couple fonction de la vitesse
2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 250
0
50
Glissement
Cou
ple
(Nm
)
T = f(g)Couple fonction du glissement
<0 ou g>1; T>0
fonctionnement en frein
0< s ou 0<g<1; T>0
fonctionnement en moteur
> s ou g<0; T<0
fonctionnement en génératrice
Point de fonctionnement nominal
18
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
<0 ou g>1; T>0
fonctionnement en frein
0< s ou 0<g<1; T>0
fonctionnement en moteur
> s ou g<0; T<0
fonctionnement en génératrice
2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 20
5
10
15
20
Glissement
Coura
nt
Ieff = f(g)Courant efficace fonction du glissement
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2060
40
20
0
20
40
Courant
Co
uple
T = f(Ieff)Couple fonction du courant efficace
19
Contrôle des machinesMCC
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 auto-transformateur 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
20
Contrôle des machines par variateurMCC, conversion alternatif/continu
Fonctionnement commandé 2 possibilités :1/ Redressement commandé par pont tout thyristor ou pont mixte (forte puissance)
+
-
e 1
+-
+ -
e 2
+-
+ -
e 3
+-
+ -
iK 1
iK 4
v K 1
v K 4
iK 6
iK 3
v K 6
v K 3
iK 2
iK 5
v K 2
v K 5
ie 1
ie 2
ie 3
v I
I0
v I ie 1
iK3
iK2
v K 3
v K 2
iK1
v K1
iK4
v K4
E+
-
+
- +
-I
iE
v I
I
21
Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu
+
-I
e 1
+-
+ -
e 2
+-
+ -
e 3
+-
+ -
v I
I
ie 1
ie 2
ie 3
iK '1
iK '4
v K '1
v K '4
iK '6
iK '3
v K '6
v K '3
iK '2
iK '5
v K '2
v K '5
iK 1
iK 4
v K 1
v K 4
iK 6
iK 3
v K 6
v K 3
iK 2
iK 5
v K 2
v K 5
P o nt n° 1 P o nt n° 2
Possibilité de fonctionnement dans les 4 quadrants électro-mécaniques
U, n
I, T
Moteur
Moteur
Générateur
Générateur
22
Contrôle des machines par variateur MCC, conversion alternatif/continu
2/ Redressement non commandé par pont à diode + hacheur (faible puissance)
ab
U
iU
i I
E
v K 1
v K2
iK1
iK2
L R
v ILa source de tension est assurée par un redresseur à diodes
Fonctionnement de principe sur hacheur dévolteur
K 1 K 2 K 1
t0
K 2
v c
E
E c
T
T
t0
i c
IcM A X
IcM IN
K 1 K 2 K 1
t0
K 2
v c
E
E c
T
T
t
i c
IcM A X
0
T '
Evolution des différentes grandeurs en conduction continue et discontinue
Ici aussi possibilité, de fonctionnement dans les 4 quadrants
23
Contrôle des machinesMASFonctionnement 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 :
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
1 0.8 0.6 0.4 0.2 1017
0
50
100
150
Glissement
Cou
ple
(Nm
)
1 0.8 0.6 0.4 0.2 10170
10
20
30
40
Glissement
Cou
rant
T(g) I(g)
Moteurs à cage
24
Contrôle des machinesMAS
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
Fonctionnement naturel
25
Contrôle des machines par démarreur électroniqueMAS, conversion alternatif/alternatif
Fonctionnement commandé
Pour le démarrage : solution économique par gradateur à angle de phase triphasé
TH1
TH’1
TH2
TH’2
TH1
TH’3
UTr1
UTr2
UTr3
V1 UTr1
V2
V3
O
VR1
VR2
VR3
N
I1
I2
I3
Schéma structurel
Phase 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0VR1i
i
Phase 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0VR2i
i
Phase 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0VR3i
i
Ondes de tension
26
Contrôle des machines par variateur MAS , conversion alternatif/alternatif
Fonctionnement commandéCommande par variateur : pont redresseur à diodes ou thyristors + onduleur à modulation de largueur d'impulsion à IGBT
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
SCHEMA DE PRINCIPE (sans selfs)
C
e1
e2
e3
MiI Is
27
Contrôle des machinesMAS , conversion alternatif/alternatif
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
Fonctionnement commandé
2000 1000 0 1000 2000 3000 4000 500050
0
50
Tm,1 g1
Tm,2 g1
Tm,3 g1
Tm,4 g1
Tm,5 g1
,,,, ,1 g1 ,2 g1 ,3 g1 ,4 g1 ,5 g1
Ce contrôle se fait soit en boucle ouverte (peu précis), soit avec un retour vitesse qui permet l'asservissement
28
Contrôle des machinesMAS , 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
Fonctionnement commandé
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
Forme d'onde MLI
Analyse spectrale
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
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
050
100150200250300350
Spectre V1 Spectre V2 Spectre V3
Vo
lts
0 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 21
0
50
100
150
200
250
300
Spectre I1 Spectre I2 Spectre I3
Am
pè
res
0 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 1718 1920 21
Formes d ’ondes et analyses spectrales tension-courant en amont d ’un variateur de vitesse continu
30
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
31
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)
0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.0530
20
10
0
10
20
3021.708
22.292
I1i
0.0455 103 T1i
0 5000 1 104
1.5 104
2 104
2.5 104
0
2
4
6
86.744
6.078 104
SpectreI j
2.5 1040 F j
32
0 5000 1 104
1.5 104
2 104
2.5 104
0
2
4
6
86.138
4.141 104
SpectreI3 j
2.5 1040 F j
0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.0530
20
10
0
10
2018.499
20.301
I2i
0.0455 103 T1i
j 0 2047
Ij I1j I3j I2j
F j jfe
2048
1.5 104
1.6 104
1.7 104
1.8 104
1.9 104
2 104
2.1 104
0.1
0.2
0.3
0.4
0.50.515
0.03
SpectreI j
SpectreI3 j
2.11 1041.43 10
4 F j
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
33
34
35
36