ECHAUFFEMENT DES MACHINES ELECTRIQUES TOURNANTES

INTRODUCTION

                     Les machines électriques tournantes sont presque présentes partout dans les industries et dans la vie quotidienne quel que soit le domaine d’utilisation : machinesoutils, engin de levage, pompage, les trains électriques,  les appareils ménagères … Parmi ces machines, la machine asynchrone est la plus utilisée à cause de sa robustesse, son prix et sa faciliter d’entretien. De plus, elle présente une large gamme de puissance allant de quelque watt à plusieurs milliers de watt. Ces machines électriques font lieu de circulation de courant et de flux magnétique à travers les parties conductrices et les circuits magnétiques. Ces phénomènes de circulation produisent des pertes qui se manifestent par la chaleur et tendent à chauffer la machine. Or un échauffement grand ou prolongé affecte la durée de vie de la machine et le conduit à sa détérioration. C’est dans ce contexte de problème causé par l’échauffement des machines électriques tournantes que nous avons choisi le thème intitulé : « ECHAUFFEMENT DES MACHINES ELECTRIQUES TOURNANTES ».En générale le domaine de l’échauffement est presque le même dans tous les différents types de machines mais dans le présent travail on va prendre le cas d’une machine asynchrone triphasée. Notre objectif est d’évaluer la variation de la température des différents éléments de la machine en fonction des causes qui donnent naissance à l’échauffement de la machine, en particulier la charge qu’elle supporte. Pour calculer la température de chaque élément de la machine, nous devons d’abord connaitre les valeurs des pertes qui ont donné naissance à cette dernière. Ces pertes peuvent être déterminées grâce aux paramètres qui sont liés au modèle électromagnétique de la machine. Ensuite il faut trouver les résistances thermiques et capacités calorifiques de chaque élément qui dépendent de leurs propriétés physiques et de leur dimension géométrique. Ces paramètres sont rapportés au circuit thermique de la machine pour en déduire la température de chaque élément de la machine. Cette étude se fera donc par des modélisations sur le plan électromagnétique et thermique, à l’aide des circuits électromagnétiques équivalents de la machine et par la méthode nodale. Les modèles seront simulés dans Simulink de Matlab.

Définition des machines électriques

                   Les machines électriques ont pour existence de transformer une forme d’énergie en une autre dont l’un au moins doit être électrique, et l’autre électrique ou mécanique. Les deux principaux éléments fondamentaux intervenant dans cette transformation sont les courants électriques et les champs magnétiques. L’interaction de ces deux éléments forme les lois de l’électromagnétisme et fait la base du fonctionnement des machines électriques.

Les éléments constitutifs des machines électriques tournantes

              Les machines qui transforment l’énergie électrique en énergie mécanique ou l’inverse sont appelées les machines électriques tournantes. Ces machines tournantes comportent généralement un organe fixe nommé stator et un organe mobile, qui tourne, nommé rotor qui sont séparés par l’entrefer. L’organe qui sera destiné à créer le champ magnétique est nommé l’inducteur et l’organe portant les conducteurs qui sont siège de forces électromotrices sous l’effet des phénomènes d’induction est nommé l’induit. Le flux crée par l’inducteur est dû par la présence dans ce dernier d’un aimant permanent ou à des conducteurs parcourus par des courants. Les lignes de force de ce flux circulent à travers un circuit magnétique fermé constitué par l’inducteur, l’entrefer et l’induit.

Transfert thermique dans les machines tournantes

                  Les pertes de puissance dans la machine sont transformées en énergie calorifique qui tend à chauffer les différents éléments du moteur. Les transferts de chaleur au sein de la machine et avec le milieu extérieur se font par conduction, convection et rayonnement. Vu la majorité des sources de chaleur au sein des matériaux et malgré la mauvaise conductivité de certains matériaux, la conduction prédomine. La convection quant à lui se rencontre sur les bouts du rotor et des bobinages statorique, dans l’entre fer et à l’extérieur. Le rayonnement est présent partout dans le moteur mais les échanges radiatifs sont mineurs en raison de la température relativement basse.

Analogie électrique de conduction thermique

                 La conduction thermique est semblable à celle de l’électricité dans les conducteurs électriques. Dans un conducteur, le flux d’électricité est entraîné par une différence potentielle et le flux de chaleur l’est par la différence de températures. En conduction électrique, la charge électrique est transportée d’un point d’un conducteur à un autre par le mouvement des électrons ; dans la conduction thermique, la chaleur est transportée d’un point du solide à un autre par la vibration des molécules du solide suite à l’augmentation d’énergie.

Interprétation

I. Courbe des courants et de la vitesse : L’augmentation de la charge se traduit par l’augmentation du couple résistant qui tend à freiner le rotor et diminue sa vitesse de rotation. (Figure 32) L’écart entre la vitesse du rotor et celle du synchronisme augmente. Le rotor tend automatiquement à rattraper la vitesse du synchronisme (due au phénomène électromagnétique). Ce rattrapage se manifeste par l’augmentation des amplitudes des courants du stator et du rotor. L’augmentation du courant rotorique s’accompagne de l’augmentation de sa fréquence tandis que celle du stator reste inchangée car elle dépend du réseau mais pas d’autres phénomènes. (Figure 33) (figure 34)
II. Courbes des pertes : Les pertes joules au stator et au rotor sont proportionnelles au carré des courants statorique et rotorique et à leurs résistances. 𝑃𝑗 = 𝑅.𝐼^2 Par conséquent l’élévation des courants rotorique et statorique dû à l’augmentation de la charge entraine l’augmentation des pertes joules au stator et au rotor. (Figure 35) (Figure 36) (figure37) Les pertes fer sont en fonction des flux magnétiques, or ces flux décroissent quand la charge augmente. D’où la diminution des pertes fer selon l’augmentation de la charge
III. Courbes des températures des éléments de la machine : Les pertes joules et fer se transforment en chaleur et se traduisent par des sources de chaleur qui chauffent les différents éléments de la machine. Ces pertes sont en fonction des courants rotorique et statorique, or ces courants croissent avec la charge. Donc la capacité d’échauffement de la machine augmente quand la charge augmente. (Figure 38) (figure 39) (figure 40)

Table des matières

REMERCIEMENT
LISTE DES SYMBOLES ET ABREVIATIONS
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
INTRODUCTION
PARTIE I: LES MACHINES ELECTRIQUES TOURNANTES
Chapitre I Les machines électriques
I. Définition des machines électriques
II. Rappel sur les lois de l’électromagnétisme
III. Catégories des machines électriques
IV. Les éléments constitutifs des machines électriques tournantes
V. Grandeurs caractéristiques des machines électriques
VI. Les pertes dans les machines électriques tournantes
VII. Les causes de l’élévation de température dans les machines électriques tournantes
Chapitre II Modèle thermique des machines électriques tournantes
I. Transfert thermique dans les machines tournantes
II. Rappel sur les différents modes de transferts thermiques
III. Analogie électrique de conduction thermique
IV. La méthode nodale [8]
V. Modèle thermique des machines électriques tournantes
VI. Les équations thermiques de la machine
PARTIE II: LA MACHINE ASYNCHRONE
Chapitre I Généralité
I. Définition
II. Schéma détaillé
III. Les principaux éléments constitutifs
IV. Le principe de fonctionnement de la machine asynchrone en moteur
V. Vitesse, glissement, bilan des puissances, couples, rendement
VI. Démarrage d’une machine asynchrone
VII. Présentation de la machine d’étude
Chapitre II Modélisation électromagnétique de la machine asynchrone
I. Analogie à un transformateur
II. Circuit équivalent de la machine asynchrone
III. Modèle électromagnétique de la machine sur Simulink
Chapitre III Modélisation thermique de la machine étudiée
I. Modèle thermique
II. Détermination des conductances thermiques entre les nœuds
III. Simulation du circuit thermique
PARTIE III: ETUDES DES ECHAUFFEMENTS DE LA MACHINE EN FONCTION DE LA CHARGE
Chapitre I Résultats
I. Courbe des courants et de la vitesse de rotation du rotor
II. Courbes des pertes
III. Courbes des températures des éléments de la machine
Chapitre II Interprétation
I. Courbe des courants et de la vitesse
II. Courbes des pertes
III. Courbes des températures des éléments de la machine
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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