Constitution generale et differents types de machine asynchrone

Actuellement, de nombreuses industries utilisent la machine asynchrone pour son coût modéré et sa facilité en maintenance. Par sa robustesse, sa simple structure, sa taille et son poids, cette machine offre de nouvelles perspectives technologiques dans nombreux domaines de constructions d’automobiles, machines outils, et trains à grand vitesse etc. Cependant, elle est souvent plus performante pour l’usage des moteurs, nécessitant des commandes élaborées et notamment des commandes vectorielles pour pouvoir mieux contrôler ses états transitoires. Par définition, le contrôle vectoriel est une commande qui exige une modélisation rigoureuse dont la fiabilité dépend de la prise en compte des variations éventuelles des paramètres et des grandeurs telles que le couple ou la vitesse. Le nom de ces commandes vient du fait que les relations finales sont vectorielles à la différence des commandes scalaires. Historiquement, les commandes scalaires ont eu une bonne réputation au niveau du contrôle de la vitesse. Mais malheureusement, cette commande ne peut pas maîtriser le couple instantané, car il faudra que les régimes transitoires soient complètement achevés, pour pouvoir travailler convenablement. Compte tenu de ce défaut, les commandes vectorielles sont apparues afin de résoudre les problèmes du contrôle scalaire. Aujourd’hui, le contrôle vectoriel est plus efficace, car il permet de traiter les régimes transitoires irréalisables par la commande scalaire. Et c’est la raison pour laquelle cette commande vectorielle exige une étude plus approfondie. Dans ce présent mémoire, nous allons entamer la conception théorique de la: « COMMANDE VECTORIELLE DU MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE AVEC ALIMENTATION EN TENSION ».

Pour mieux comprendre ce type de commande, nous allons voir comment fonctionne la modélisation du moteur asynchrone, la modélisation vectorielle, le régime permanent, le régime dynamique, la simulation du circuit de commande et choix des composantes.

CONSTITUTION GENERALE ET DIFFERENTS TYPES DE MACHINE ASYNCHRONE

DESCRIPTION ET CONSTITUTION GENERALE 

Un moteur asynchrone est une machine dont la vitesse de rota²tion n pour la fréquence donnée f dépend de la charge et dans laquelle:

f ≠ Ppn (1.1.1)

LE STATOR 

Appelé aussi inducteur, il est constitué d’un empilage de tôles dans lesquelles sont découpées des encoches parallèles à l’axe de la machine. Tous les enroulements sont parcourus par des courants alternatifs. Un stator possède Pp paires de pôles. Il forme ainsi une carcasse  feuilletée, ferromagnétique en acier au silicium, qui porte dans des encoches les enroulements.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 

Le principe de fonctionnement du moteur asynchrone est similaire à un système d’aimant suspendu à une ficelle. L’axe de rotation du disque étant confondu à celui de la ficelle.

Il y a réaction entre le champ d’induction créé par les courants induits dans le disque et le champ d’induction de l’aimant tournant. Le disque prend du retard sur le mouvement de l’aimant ; car, c’est ce déplacement qui est l’origine des courants induits.

Le moteur asynchrone a un stator analogue à celui d’un alternateur et lorsqu’on alimente avec des courants triphasés les bobines du stator, un champ qui tourne à la vitesse de synchronisme apparaît dans l’entrefer de la machine. Supposons le rotor, à l’arrêt. Son bobinage est couplé à celui du stator et se comporte comme l’enroulement secondaire d’un transformateur en court-circuit. Des courants induits y prennent naissance et tendent à s’opposer au phénomène qui les crée. Ce phénomène n’est autre que la loi de Lenz. Si le rotor tournait à la vitesse du champ tournant, le flux dans les enroulements rotoriques resterait constant, car il n’y aurait aucun déplacement, et il n’y aurait plus de courant induit. Les courants induits ont leur intensité maximale quand le rotor est immobile et, nulle quand la vitesse du rotor est celle du champ tournant. Ainsi, pour qu’il y ait une diminution de la variation de vitesse relative entre le champ tournant et le rotor, ce dernier doit tourner; comme ce sont les courants induits qui obligent la rotation du rotor, celui-ci ne pourra tourner que si les courants induits existent; donc, s’il y a un déplacement du rotor par rapport au champ tournant, si petit soit-il.

La vitesse de rotation du rotor ne peut donc atteindre la vitesse de synchronisme, et c’est pour cette raison que ce moteur est appelé : moteur asynchrone.

REGIME PERMANENT DU MOTEUR ASYNCHRONE

Un système est stable ou équilibré quand certaines de ses grandeurs de fonctionnement deviennent constantes pendant un temps suffisamment long. Pour le moteur asynchrone, le régime permanent est atteint au moment où les conditions d’alimentation et le couple résistant restent constants. Dans ce régime, on adopte un système de tensions triphasées équilibrées et symétriques pour assurer l’alimentation des enroulements statoriques. On aperçoit la création des courants statoriques et rotoriques donc, les divers flux. Suite à une interaction entre les flux et celle des courants, un couple électromagnétique apparaît. C’est ce dernier qui est l’origine de la rotation de l’arbre de la machine. Le rotor tourne donc à une vitesse angulaire constante Ω. Autrement dit, le glissement g reste aussi constant.

Cette étude nous a permis d’améliorer nos connaissances en électrotechnique. On a réussi à simuler les comportements d’un moteur asynchrone alimenté en tension. Cette simulation a été traitée sous MATLAB. On a même conçu un logiciel de simulation afin de pouvoir visualiser les différentes caractéristiques du moteur. Les moteurs à cage, qui présentent plus d’avantage par rapport aux moteurs à bague, sont les plus ciblés par ce type de commande. Les utilisateurs de ces moteurs n’auront plus de problème à les manipuler lors du démarrage ou en régime permanent, car ce genre de variateur peut résoudre non seulement le contrôle de la vitesse mais aussi la maîtrise du couple. De plus, la commande peut limiter l’appel de courant lors de la mise sous tension.

Grâce à SIMULINK, on est aussi parvenu à simuler les circuits de commande de convertisseurs statiques qui alimentent le moteur à fréquence variable. On a pu enrichir nos savoirs sur l’électronique de commande et de puissance. Pour l’amélioration de ce mémoire, le lecteur pourra peut-être envisager d’incruster un capteur de position au niveau du rotor et de comparer les résultats avec la commande sans capteur. Enfin, on espère que ce travail apportera sa contribution à la formation d’ingénieurs au sein de l’ESPA.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre1: MODELISATION DU MOTEUR ASYNCHRONE
1. CONSTITUTION GENERALE ET DIFFERENTS TYPES DE MACHINE ASYNCHRONE
1.1. DESCRIPTION ET CONSTITUTION GENERALE
1.2. LE STATOR
1.3. LE ROTOR
1.4. LES DIFFERENTS TYPES DE MOTEUR ASYNCHRONE
2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
3. NOTION DE VECTEUR TOURNANT ET EQUATIONS GENERALES
3.1. NOTION DE VECTEUR TOURNANT
3.2. EQUATIONS GENERALES DU MOTEUR
3.2.1. HYPOTHESES
3.2.2. EXPRESSION DES TENSIONS STATORIQUES ET ROTORIQUES
3.2.3. CALCUL DES FLUX STATORIQUES ET ROTORIQUES
3.2.3.1. FLUX STATORIQUE
3.2.3.2. FLUX ROTORIQUE
3.2.4. VALEURS DES INDUCTANCES
3.2.4.1. INDUCTANCES PROPRES STATORIQUE ET INDUCTANCES MUTUELLES ENTRE PHASES STATORIQUES
3.2.4.2. INDUCTANCES PROPRES ROTORIQUES ET INDUCTANCES MUTUELLES ENTRE PHASES ROTORIQUES
3.2.4.3. LA MATRICE DES INDUCTANCES STATOR-ROTOR ET ROTORSTATOR
Chapitre2: MODELISATION VECTORIELLE DU MOTEUR ASYNCHRONE
1. ETABLISSEMENT D’UN MODELE VECTORIEL DANS LES REFERENTIELS FIXES (S), ET DANS LE REFERENTIEL TOURNANT (T)
1.1. MODELE VECTORIEL RAMENE AU STATOR DANS LE REFERENTIEL LIE AU STATOR
1.2. MODELE VECTORIEL DANS UN REFERENTIEL TOURNANT A LA VITESSE DU CHAMP TOURNANT
2. EQUATIONS DE CONCORDIA
3. EQUATIONS DE PARK
Chapitre3: REGIME PERMANENT DU MOTEUR ASYNCHRONE
1. EXPRESSION DU COURANT STATORIQUE
1.1. CALCUL DU VECTEUR TOURNANT DE LA TENSION D’ALIMENTATION
1.2. EXPRESSION DES COURANTS ET DES FLUX
2. COUPLE ELECTROMAGNETIQUE
2.1. EXPRESSION DE LA PUISSANCE STATORIQUE
2.2. EXPRESSION DU COUPLE (Cas du repère lié au champ tournant)
3. COEFFICIENT DE PROPORTIONNALITE ENTRE TENSION ET FLUX
4. SIMULATION
4.1. REGIME A BASSE VITESSE
4.1.1. ALGORITHME
4.1.2. RESULTAT DE LA SIMULATION
4.1.3. INTERPRETATION DES RESULTATS
4.2. REGIME A SURVITESSE
4.2.1. ALGORITHME
4.2.2. RESULTAT DE LA SIMULATION
4.2.3. INTERPRETATION DES RESULTATS
Chapitre4: REGIME DYNAMIQUE DU MOTEUR ASYNCHRONE
1. RAPPEL
1.1. EQUATIONS ELECTRIQUE
1.2. EQUATIONS DANS LE REPERE TOURNANT
2. EQUATION D’ETAT
2.1. TRANSFORMATION DE L’ECRITURE DES EQUATIONS STATORIQUES ET ROTORIQUES
2.2. RESOLUTION DE L’EQUATION D’ETAT
2.3. INTEGRATION NUMERIQUE DE L’EQUATION MECANIQUE
3. SIMULATION
3.1. REGIME A BASSE VITESSE
3.1.1. ALGORITHME
3.1.2. RESULTAT DE LA SIMULATION
3.1.3. INTERPRETATION DES RESULTATS
3.2. REGIME A SURVITESSE
3.2.1. ALGORITHME
3.2.2. RESULTAT DE LA SIMULATION
3.2.3. INTERPRETATION DES RESULTATS
Chapitre5: SIMULATION DU CIRCUIT DE COMMANDE ET CHOIX DES COMPOSANTS
1. SCHEMA THEORIQUE DU CIRCUIT DE COMMANDE
2. SUMULATION DU CIRCUIT DE COMMANDE
2.1. ENVIRONNEMENT SIMULINK
2.2. SCHEMA DU CIRCUIT SOUS SIMULINK
2.3. RESULTAT DE LA SIMULATION
2.4. INTERPRETATION DES RESULTATS
3. CHOIX DES COMPOSANTES DE L’ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
RESUME

Lire le rapport complet