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Le stator
La partie fixe appelée STATOR qui crée le champ tournant de la machine est constituée :
D’une carcasse, feuilletée, ferromagnétique, portan dans des encoches des enroulements triphaséschargés de magnétiser l’entref r .
Le rotor
Le rotor est une partie tournante, placée à l’intérieur du stator. Le rotor est constitué d’une carcasse, feuilletée et ferromagnétique empilée sur l’arbre de la machine portant un enroulement bobiné ou formé par la cage d’écureuil.
Les différents types de machines asynchrones ne se distinguent que par leurs rotors, ils peuvent être : à rotor bobiné ; à rotor à cage.
rotor bobiné
Le rotor bobiné comporte des encoches destinés à loger les enroulements rotoriques, et les extrémités sortent par l’intermédiaire de bagues de frottement et de balais en carbone pour aboutir aux éléments de circuit complémentaires (rhéostat de démarrage, électronique de puissance…). Ce type de moteur est utilisé essentiellement dans des applications où les démarrages sont difficiles et/ou nombreux ; en effet les pertes rotoriques, pendant la phase de démarrage, ne sont pas toujours supportées par les rotors à cages.
rotor à cage
Le rotor à cage est constitué de barres conductrices régulièrement réparties entre deux couronnes métalliques formant les extrémités.
Ce type de moteur est plus aisé à construire, il est aussi plus robuste et c’est pour ces raisons qu’il constitue la plus grande partie des moteurs asynchrones actuellement en service.
L’entrefer
Cette partie amagnétique, qui est de l’air, est d’épaisseur la plus faible possible (de l’ordre du millimètre). Cette caractéristique appelle plusieurs remarques :
l’épaisseur réduite rend la taille de l’entrefer sensible aux variations dues aux encoches statoriques. Ceci crée des harmoniques dites d’encoches. Pour les réduire, les encoches sont fermées par des cales magnétiques quimaintiennent le bobinage ;
sur les machines volumineuses, un si faible épaisseur impose peu de fléchissement de la partie centrale. Il doit être tenu compte dans el dimensionnement mécanique.
Symboles électriques de la machine asynchrone
Machine triphasée à rotor à cage Machine triphasée à rotor bobiné asynchrone à rotor bobiné
PRINCIPE DE LA MACHINE ASYNCHRONE
En générale, le principe de fonctionnement d’une machine asynchrone repose sur l’interaction électromagnétique du champ tournant réec par le courant triphasée (fournit à l’enroulement statorique par le réseau) et des courants induits dans l’enroulement rotorique lorsque les conducteurs de ce dernier sont coupés par le champ tournant.
Cette interaction se présente comme suit :
Les courants statoriques créent un champ magnétique tournant dans le stator. La fréquence de rotation de ce champ est imposée par la fréquenc des courants statoriques, c’est-à-dire que sa vitesse de rotation est proportionnelle à la fréquence de l’alimentation électrique. La vitesse de ce champ tournant est appelée vitesse de synchronisme.
L’enroulement au rotor est donc soumis à des variations de flux (du champ magnétique). Une force électromotrice induite apparaît et crée des courants rotoriques. Ces courants sont responsables de l’apparition d’un couple qui tend à mettre le rotor en mouvement afin de s’opposer à la variation de flux : loi de Lenz. Le rotor se met donc à tourner pour tenter de suivre le champ statorique.
Fonctionnement en moteur
Dans ce régime de fonctionnement, le glissement du moteur est positif ; mais toutefois,il n’est stable qu’entre les glissements zéro et un certains glissement g0qui entraine un couple maximal (0g≤g0). En effet, c’est entre ces glissements que l’allu re de la courbe caractéristique est le plus linéaire.
Par ailleurs, le couple électromagnétique et la puissance utile sont positifs ; et la vitesse de rotation reste, par convention, positive aussi.
L’un des caractéristiques majeures qui caractériseaussi ce régimeest que, la vitesse de rotation du moteur est inférieureà la vitesse de synchronisme (NrNs).
Fonctionnement en générateur
Lorsqu’il est entraîné au-delà de la vitesse de synchronisme « fonctionnement hypersynchrone » la machine fonctionne en générateu alternatif. Mais son stator doit être forcément relié au réseau car lui seul peut créer champl magnétique nécessaire pour faire apparaître les courants rotoriques. Un fonctionnement en générateur alternatif autonomeest toutefois possible à l’aide de condensateurs connectés sur le stator, à condition qu’il existe un champ magnétique rémanent.
Dans ce fonctionnement en générateur, de la machineasynchrone, le glissement est négatif à cause de l’hypersynchronisme : Ns Nr. le couple électromagnétique et la puissance utile sont négatifs.
Fonctionnement en frein moteur
Dans ce régime, le glissement est supérieur à un (g 1). Mais aussi, la singularité la plus pertinent est que : le sens du champ tournant et celui de la rotation du moteur sont opposés. La machine présente un couple résistant, reçoit de l’énergie électrique et de l’énergie mécanique.
Les trois régimes de fonctionnement,de la machine asynchrone, cité ci-dessus peuvent être mis en exergue en traçant : la courbe du couple électromagnétique en fonction du glissement (Tem = f(g)).
DESCRIPTION DU CONVERTISSEUR
Introduction
Avant toute chose, les différents éléments constitu ifs du convertisseur de phase rotatif ont besoin d’être clarifiée :
L’élément de base du convertisseur de phase est lamachine asynchrone triphasée, elle est appelé « moteur pilote ». On l’appelle ainsi car typiquement, il n’y a aucune charge monté à son axe ;
L’utilisation d’un condensateur de démarrage est nécessaire car, avec l’alimentation monophasée, le moteur n’est pas prêt à tourner sansun moyen de démarrage approprié ;
Pour éviter le déséquilibre qui peuvent survenir laà sortie triphasée du convertisseur, il a fallu y placé des condensateurs supplémentaires appelés condensateurs permanents ;
Un disjoncteur est à ne jamais omettre dans un circ uit électrique ;
Il est aussi nécessaire de connecter, en amont de chaque moteur électrique, des relais de protection pour le bon fonctionnement du moteur. Ces relais peuvent être, magnétiques ou thermiques.
Les différents éléments du convertisseur
En tenant, compte de toutes ces recommandations ci-dessus, l’installation électrique du convertisseur de phase rotatif se présentera commesuit :
L1 et L2 symbolisent les lignes monophasées à courant alternatif de 220 Volt et S3 la ligne venant de la borne de sortie du moteur pilote.
Contre les courts-circuits, un disjoncteur va se positionner dans le circuit.
KM1/12 et KM1/34 sont les contacts principaux du premier contacteur dont la bobine est notéeKM1 dans le circuit de commande.
Les condensateurs permanents se connectent : l’un entre les lignes L1-S3 et l’autre entre L2-S3. Dans le rôle des éléments contre la surcharge, se place le contact du relais thermique. Ce dernier a un contact qui est symbolisé par Q1/11,12 qui s’ouvrira s’il y a apparition d’une quelconque surcharge dans le circuit. Cette ouverture empêche l’alimentation de la bobine KM1, donc entraine l’ouverture des bornes KM1/1,2 et KM1/3,4 pour enfin arrêter l’installation.
Caractéristiques des éléments principaux du convertisseur
LE MOTEUR PILOTE
Le moteur pilote est une machine asynchrone triphasée. Il faut bien distinguer si les trois phases de la machine sont montées en étoile ou en rianglet. La plupart de ces machines, et aussi les plus utilisées ont 220volts [V] et 50 à 60 hertz [Hz] inscrit sur leurs plaques signalétiques. Le nombre de tour du moteur pilote utilisé importe peu, que ce soit 1100 ou 3600 tours par minute. Par ailleurs, si la vitesse de rotation du moteur est élevée, on aura un meilleur angle de phase ; mais si la vitesse de rotation de ce dernier est plus basse, il sera plus rapide au démarrage.
D’autre part, lorsque le moteur pilote utiliséest assez usé (n’est plus neuf), il faudra vérifier périodiquement les mesures d’isolements :entre les phases du moteurs elles mêmes ; et aussi les mesures d’isolements entre les phases et les parties métalliques du moteur. C’est un procédé d’entretien préventif, utilisé pour éviter les courts circuits qui peuvent survenir dans le moteur pilote.
La puissance du moteur pilote devra être supérieurou égale à la puissance du moteur à entrainer. Par contre s’il y a existence d’équipement qui démarre avec la charge, comme un compresseur à air par exemple, la puissance du mote ur pilote devra être 1.5 fois celle du moteur à entrainer.
LE CONDENSATEUR DE DEMARRAGE
Il est recommandé d’utiliser un condensateur d’au moins 250 volts [V] en courant alternatif. Les types de condensateurs bon marché, ou les condensateurs à électrolytes, peuvent être utilisé si le moteur pilote ne dépassepas la puissance d’un cheval vapeur.On peut aussi utiliser les condensateurs à papier imbibé d’huile, car les prix de ces derniers sont proportionnels à leurs dimensions, or ici les conde nsateurs à utiliser sont de capacité assez faible.
Les condensateurs à électrolytes sont reconnus par sa forme arrondie et ils sont généralement en plastique. En plus, ils ont souventdes couleurs noirs. L’inconvénient pour cetype de condensateur est qu’il perd de sa capacité dans le temps, donc il faudra effectuer des remplacements périodiques durant leurs exploitations.
La capacité du condensateur de démarrage sera choisie proportionnellement à la puissance du moteur pilote. Si la capacité de ce condensateur est surdimensionné par rapport au moteur pilote, ce dernier aura tendance à démarrer plus rapidement et conduira un plus grand courant de démarrage.
LE CONDENSATEUR PERMANENT
Dans l’installation électrique du convertisseur de phase rotatif, les condensateurs permanents sont facultatifs. Sans eux le convertisseur de phase rotatif marchera, mais il sera opérationnel à 80 pourcent [%] de sa puissance. Cette perte de puissance est surtout causée par le niveau bas à la troisième phase du convertisseur.
Le type de condensateur est le condensateur à pap ier imbibé d’huile, pour la bonne raison qu’ils supportent très bien les passages de courant alternatifs à long terme. Contrairement aux condensateurs à électrolytes qui peuvent exploser dans ce régime, en plus les condensateurs à huile ne perdent pas leurs puis sances au fil du temps.
Les condensateurs à huiles ne sont plus en plastiq ue, mais ils sont en métal. Généralement de forme ovale parfois rectangulaire uo même ronde. Dans le but d’équilibrer les trois (03) phases à la sortie du convertisseur, les condensateurs permanents sont branchés sur les lignes L1-L3 et L2-L3. Par contre, pour avoir plus de précisions sur l’équilibre entre les trois (03) phases de sorties, il faudra que les capacités des condensateurs entre L1-L3 et L2-L3 ne soient pas les mêmes et donc plus de calculs s’imposent.
REMARQUE :
Dans l’installation électrique du convertisseur de phase rotatif, ces éléments énoncés ci-dessus sont les éléments principaux, mais il ne faudra pas oublier les éléments de protections électriques et les éléments de contrôles et de commandes : disjoncteurs ; fusibles ; contacteurs ; bouton poussoir…
Les dimensionnements de ces éléments seront pris ne compteplus en détail dans la prochaine partie de cette étude.
Le convertisseur de phase rotatif à démarrage automatique ou « self-starting méthod »
C’est un procédé plus simple pour réaliser le convertisseur de phase rotatif. Dans ce deuxième type de convertisseur, le condensateur de démarrage est éliminé du circuit et le condensateur permanent ne se trouve plus qu’entre les lignes L1 et L3. Vu que l’installation n’est plus pourvue de condensateur de démarrage et du condensateur entre les lignes L2 et L3, elle est maintenant plus économique et la conception est moins ardue.
Dans ce type de convertisseur, il est aussi à noter que ce condensateur placé entre les phases L1 et L3,jouent en même temps le rôle de condensateur de démarrage et de condensateur permanent. De ce fait, des condensateurs à huiles seront plus adapter.
Par ailleurs, la conséquence de ces décisions faitqu’il y aura plus de déséquilibre à la sortie du convertisseur. Pour parerà cette conséquence néfaste, le condensateur présent dans l’installation devra être très bien dimensionné.
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Table des matières
PARTIE I : LA MACHINE ASYNCHRONE TRIPHASEE ET LE QUADRIPOLE
CHAPITRE 1 : DESCRIPTION ET PRINCIPE DE LA MACHINE ASYNCHRONE
I. INTRODUCTION
II. DESCRIPTION DE LA MACHINE ASYNCHRONE
2.1. Généralité :
2.2. Présentation de la machine asynchrone
2.3. Symboles électriques de la machine asynchrone
III. PRINCIPE DE LA MACHINE ASYNCHRONE
3.1. Le glissement
3.2. Fonctionnement en moteur
3.3. Fonctionnement en générateur
3.4. Fonctionnement en frein moteur
CHAPITRE 2 : MODELISATION ET CARACTERISTIQUES DE LA MACHINE ASYNCHRONE
I. MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE
1.1. Représentation schématique de la génératrice asynchrone
1.2. Modélisation mathématique de la génératrice asynchrone
II. CARACTERISTIQUES DE LA MACHINE ASYNCHRONE
2.1. Fonctionnement à vide
2.2. Fonctionnement en charge
2.3. Exemple de caractéristique mécanique
2.4. Exemple de caractéristique mécanique en fonction du glissement
CHAPITRE 3 : LE QUADRIPOLE
I. DESCRIPTION
II. LES EQUATIONS DU QUADRIPOLES
III. ASSOCIATION DES QUADRIPOLES
1. Branchement en série
2. Branchement en parallèle
3. Branchement en cascade
PARTIE II : LE CONVERTISSEUR DE PHASE ROTATIF
CHAPITRE 4 : PRESENTATION DU CONVERTISSEUR DE PHASE ROTATIF
I. SCHEMA ELECTRIQUE DES DIFFERENTS TYPES DE CONVERTISSEURS
1.1 « self starting » ou convertisseur de phase rotatif à démarrage autonome
1.2 Convertisseur de phase normale
CONVERTISSEUR DE PHASE ROTATIF
II. DESCRIPTION DU CONVERTISSEUR
2.1. Introduction
2.2. Les différents éléments du convertisseur
2.3. Caractéristiques des éléments principaux du convertisseur
2.4. Le convertisseur de phase rotatif à démarrage automatique ou « self-starting méthod »
CHAPITRE 5 : ETUDE DU CONVERTISSEUR DE PHASE ROTATIF
I. MODELISATION
1.1 Pour un couplage statorique en triangle
1.2 Pour un couplage statorique en étoile
II. CALCUL DU CONDENSATEUR
II.1 cas 1 : C1 ? C2
1. Schéma de calcul
2. Transformations du schéma de calcul
3. Vu depuis les bornes 23
II.2 cas 2 : C1 = C2= C
Schéma de calcul
PARTIE III : APPLICATION NUMERIQUE ET SIMULATION
CHAPITRE 6 : APPLICATION NUMERIQUE
I. CALCUL DE
1. Schéma électrique monophasé du moteur pilote à vide :
2. Résolution du circuit et calcul de
II. LES CONDENSATEURS PERMANENTS :
1. Calcul de C2
2. Calcul de C1
CHAPITRE 7 : SIMULATION
I. LE SIMULATEUR
1. Présentation :
2. Lancement du simulateur
II. LA SIMULATION PROPREMENT DITE
1. Les blocs utilisés
2. Diagramme de simulation
III. RESULTATS ET ANALYSE
1. Résultats quand C1 = C2 = C
2. Résultats quand C1 ? C2
CONCLUSION
IV. SIMULATION A CHARGE VARIABLE
1. Présentation de la simulation
2. Procédés des simulations
CONVERTISSEUR DE PHASE ROTATIF
3. Résultats des simulations
PARTIE IV : REALISATION PRATIQUE D’UN CONVERTISSEUR DE PHASE ROTATIF
1. schémas électriques normalise du circuit :
2. Principe du circuit :
3. Les éléments du circuit :
4. Caractéristiques des composants utilisés :
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES
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