Conseil et formation en ingénierie électrique Machines tournantes et variation de vitesse

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Machines tournantes et variation de vitesse

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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


5


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 :


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

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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


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


MCC, moteur ou générateur

...2.2

nNEap

pôleun sousflux

(rd/s)rotation de n vitessse

sconducteur de nombre totalN

tenroulemend' voiesde nombre a


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

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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


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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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


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


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

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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

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Documents

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