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Alternateurs Triphasés
Les alternateurs de grande puissance sont constitués d'un stator ou induit portant un enroulement triphasé branché en étoile et distribué dans des encoches, et d'un rotor ou inducteur portant un enroulement alimenté en courant continu . Le courant d'excitation peut être produit par une génératrice à courant continu ou excitatrice montée en bout d'arbre et branchée à l'inducteur à travers une paire de bagues et de balais . Dans les machines modernes, on utilise plutôt une excitation sans balais ni bagues constituée d'un alternateur triphasé à induit tournant et d'un redresseur tournant . Pour les alternateurs entraînés par des turbines hydrauliques tournant à basse vitesse, l'inducteur comporte un grand nombre de pôles saillants . Par contre, pour les turboalternateurs entraînés par des turbines à haute vitesse (3600 r/min ou 1800 r/min) sur un réseau à 60 Hz, le rotor est parfaitement cylindrique et comporte deux ou quatre pôles lisses . Le circuit équivalent de l'alternateur est très simple . Chaque phase comprend une tension interne correspondant à la tension induite par le courant d'excitation, branchée en série avec la résistance du stator et la réactance synchrone (0,8 à 2 p .u .) . Ce circuit équivalent permet de prévoir le courant et la tension de la machine pour tout type de charge et lors d'un courtcircuit. Lorsque l'alternateur est branché à un grand réseau, on doit, avant de fermer le disjoncteur, le synchroniser avec le réseau . Lorsque la turbine entraînant l'alternateur fournit une puissance mécanique, la tension interne de l'alternateur se décale d'un angle de Ô degrés électriques en avance sur la tension à ses bornes . L' alternateur débite alors de la puissance active . Cet angle électrique correspond à un décalage mécanique entre les pôles du rotor et ceux du champ tournant créé par les courants du stator. On a vu aussi que l'alternateur peut absorber ou générer de lapuissance réactive . Lorsque l'alternateur est sous-excité, il absorbe de la puissance réactive du réseau ; lorsqu'il est surexcité, il en fournit. Rappelons enfin que lorsque la charge de l'alternateur change brusquement, ou lorsqu'un court- circuit est appliqué à ses bornes, la réactance synchrone du circuit équivalent doit être remplacée par la réactance transitoire de plus faible valeur (environ 0,2 p.u .) . Cette réactance transitoire permet de calculer le fort courant de court-circuit . Par la suite, le courant se stabilise à sa valeur de régime permanent correspondant à la réactance synchrone ...
CIRCUITS TRIPHASÉS
Applications des machines asynchrones triphasées
Lorsqu'on veut utiliser un moteur asynchrone triphasé pour une application particulière, on se rend compte que plusieurs types de moteurs remplissent les exigences de la charge . Il faut donc faire un choix . Le problème est généralement simplifié du fait que le fabricant du tour, du ventilateur, de la pompe, etc ., indique la catégorie de moteur convenant le mieux à la charge à entraîner. Il est cependant très utile de connaître les caractéristiques de construction et d'utilisation des différents types de moteurs asynchrones triphasés, car ce sont elles qui en déterminent le choix .
Nous étudierons aussi dans ce chapitre le principe de fonctionnement d'une génératrice asynchrone et d'un convertisseur de fréquence.
Télécharger :
Applications Des Machines Asynchrones Triphasés (pdf)
Moteurs Asynchrones Triphasés
Les moteurs asynchrones triphasés sont les moteurs employés le plus fréquemment dans l'industrie . Ils possèdent en effet plusieurs avantages : simplicité, robustesse, prix peu élevé et entretien facile .
Vu l'importance de ces moteurs, nous leur consacrerons trois chapitres . Dans le présent chapitre, nous étudierons la construction et les principes fondamentaux des moteurs asynchrones triphasés lorsqu'ils fonctionnent à fréquence fixe . Nous développerons les équations simples qui décrivent leur fonctionnement, et nous expliquerons l'agencement des enroulements .
Dans les deux chapitres suivants, nous étudierons les applications de ces machines, leur circuit équivalent et leur fonctionnement lorsqu'ils sont alimentés à fréquence variable .
Transformateurs triphasés
Tout comme sur les lignes monophasées, on utilise des transformateurs pour élever ou abaisser la tension des lignes triphasées . Cette transformation peut être effectuée avec des transformateurs triphasés comportant trois enroulements primaires et trois enroulements secondaires, ou avec des montages spéciaux de transformateurs monophasés .
Avant d'interconnecter les enroulements dans un montage triphasé, il est bien important d'en connaître la polarité car une erreur de connexion peut provoquer un court-circuit ou un déséquilibre des tensions .
Lorsqu'on utilise trois transformateurs monophasés pour transformer une tension triphasée, on peut raccorder les enroulements de diverses façons . Par exemple, les primaires peuvent être raccordés en triangle et les secondaires en étoile, ou vice versa. Il s'ensuit que le rapport de transformation entre la tension triphasée d'entrée et la tension de sortie dépend non seulement
du rapport du nombre de spires, mais aussi de la manière dont les trois transformateurs sont raccordés .
Un groupe de transformateurs peut aussi produire un déphasage entre la tension triphasée d'entrée et la tension de sortie . La valeur du déphasage dépend du rapport de transformation et de la manière dont les primaires et secondaires sont interconnectés .
La possibilité de créer un déphasage avec un système triphasé permet aussi de changer le nombre de phases . Par exemple, un système triphasé peut être converti en système diphasé . On pourrait même, au besoin, le convertir en un système à 5 phases .
Pour comprendre le comportement de base d'un groupe de transformateurs triphasés, nous ferons les hypothèses suivantes :
1 . Les courants d'excitation sont négligeables ;
2. Les résistances et réactances de fuite sont négligeables;
3. La puissance apparente à l'entrée du groupe est égale
à la puissance apparente à la sortie . Notons aussi que lorsqu'ils sont utilisés dans un groupe
triphasé, les transformateurs monophasés conservent leurs propriétés monophasées . C'est dire que le rapport de transformation du courant et de tension, le flux dans le noyau et la valeur de l'impédance demeurent strictement inchangés . De plus, les tensions primaire et secondaire sont en phase, en tenant compte des marques de polarité ...
Machine asynchrone triphasée : pilotage à vitesse variable
L’exploitation industrielle de la machine asynchrone nécessite la mise en place des moyens de variation de la vitesse de rotation dans le but d’entraîner la charge à vitesse variable. Cette application est fondée sur une bonne connaissance du modèle de la machine et de l’expression du couple électromécanique dépendant des paramètres électriques.
Le document débute par le rappel de l’expression du couple électromagnétique établie dans le document « Machine asynchrone triphasée : modélisation ». C’est l’occasion de recenser les moyens de déplacer le point de fonctionnement : par action sur la tension statorique, par modification de la résistance rotorique (sur machine à rotor bobiné exclusivement) ou par variation de la pulsation des tensions statoriques du réseau d’alimentation.
Le détail aborde en premier lieu le moyen de changer le sens de rotation rotorique. Les deux procédés suivants rappellent la modification de la tension statorique et de la résistance rotorique. Ils sont cependant limités à des phases transitoires en raison de rendements énergétique médiocres. Le dernier mode agit sur la fréquence du réseau d’alimentation . C’est le plus employé industriellement en raison de sa souplesse et qui procure les meilleures fonctionnalités à la MAS. En effet, les modifications de la caractéristique de couple permettent d’assurer l’ajustement optimal du point de fonctionnement afin d’assurer le meilleur comportement dynamique de la machine. Cette qualité est d’autant mieux obtenue que le rapport tension efficace–fréquence statorique est maintenu constant.
C’est alors l’occasion de mettre en oeuvre les convertisseurs d’énergie pour assurer le meilleur pilotage de la MAS : un onduleur triphasé, assurant de surcroît une optimisation spectrale des tensions statoriques ayant recours à la modulation de largeur d’impulsions (M.L.I.).
Machine asynchrone triphasée : modélisation
Après avoir établi le principe et la réalisation d’une MAS, ce document s’intéresse à la mise en place d’un modèle électrique satisfaisant afin de l’exploiter dans un contexte industriel.
La recherche du schéma électrique équivalent commence par la mise en place de l’expression de la tension induite statorique puis, par analogie, de la tension rotorique. Ceci conduit à établir leur rapport pour mettre en évidence le comportement d’un transformateur singulier. En effet, la fréquence de la tension rotorique dépend du paramètre cinématique « glissement » qui traduit la variation relative des vitesses du champ tournant statorique et du rotor. Se basant sur cette analogie, un premier schéma équivalent est mis en évidence où interviennent les imperfections, tant magnétiques qu’électriques.
Après les tensions, une étude du rapport de transformation en courant montre qu’il n’est pas l’inverse de celui en tension. Cette constatation met en lumière la singularité du transformateur précédemment introduit. Pour approfondir la modélisation, on s’attache à évaluer les puissances mises en jeu. C’est l’occasion de monter que la puissance électrique n’est pas transmise intégralement, laissant apparaître une puissance électromagnétique qui traduit la conversion électromécanique. Le modèle est alors enrichi pour tenir compte de cette puissance active au travers d’une résistance.
Pour en terminer avec le schéma équivalent, il évolue afin d’être plus pratique. Le nouveau modèle utilise une représentation mono fréquentielle par passage des éléments rotoriques au stator (on s’inspire en fait de la représentation équivalente au primaire d’un transformateur). Le couple électromécanique peut alors être exprimé, tant mécaniquement, qu’électriquement pour traduire le comportement électromécanique de la machine.
La caractéristique de couple est ensuite étudiée. Elle laisse apparaître un fonctionnement deux quadrants par changement de signe du couple. L’extension à quatre quadrants est immédiate par inversion de la vitesse de rotation à l’aide d’un champ tournant inverse (échange de deux phases). La caractéristique laisse apparaître des extrema pour des glissements proches du synchronisme mais aussi une zone de fonctionnement quasi-linéaire. Cette exploitation offre l’occasion d’observer les moyens de faire varier la vitesse de rotation par modification de la tension efficace statorique, d’une part, et de la résistance rotorique, d’autre part (les autres moyens étant abordés dans la troisième partie).
Pour terminer les méthodes expérimentales pour relever les éléments du schéma équivalent sont décrites. Le premier est orienté « laboratoire » : un essai préliminaire, un essai au synchronisme et un à rotor bloqué sous tension réduite. Le second fait appel au relevé du couple de démarrage, maximal et du glissement correspondant. Associé à la connaissance du courant statorique nominal, tous les paramètres peuvent être déterminés.
Machine asynchrone triphasée : principe, fonctionnement et structure interne
La machine asynchrone (MAS), aussi appelée machine d’induction, est basée sur l’utilisation d’un champ tournant sinusoïdal. Pour en expliquer le principe et la mise en oeuvre, la première partie présente une machine comportant une partie fixe, le stator, supportant des enroulements qui se logent dans des encoches réparties sur le pourtour et une partie mobile, le rotor. Entre les deux, un entrefer permet le mouvement relatif. Les enroulements assurent la création de pôles magnétiques qui permettent une élévation du nombre de cycles magnétiques autour du stator.
La présentation aborde ensuite l’induction magnétique qui peut être à répartition spatiale sinusoïdale si elle dépend de la position. Mais elle peut aussi se propager à la manière d’une onde circulaire autour du stator à la pulsation de synchronisme : il s’agit d’un champ tournant sinusoïdal.
La partie préliminaire se termine en présentant les moyens de réaliser un champ tournant sinusoïdal. On s’intéresse pour cela à l’évolution du champ d’excitation au passage d’un conducteur du bobinage statorique, puis d’un enroulement comportant davantage de spires alimentées en monophasé. On constate alors que le champ d’excitation suit une évolution trapézoïdale. En ajustant la répartition des conducteurs, les harmoniques indésirables sont éliminées afin d’obtenir un champ d’induction quasi sinusoïdal. Fort de la création de ce champ à répartition spatiale, le théorème de Leblanc indique qu’il est à l’origine de deux champs tournant en sens contraires, donc inadaptés à l’entraînement d’un rotor (sur lequel se caler ?). Une solution est fournie par trois enroulements alimentés en triphasé dont le théorème de Ferraris fournit l’expression.
Les deux applications du champ tournant sont ensuite abordées. Avec un rotor disposant d’une polarité magnétique d’abord (aimant ou électro-aimant), celui-ci tourne à la vitesse de synchronisme pour constituer une machine synchrone (MS), hors programme cependant. L’autre application consiste à réaliser des enroulements sur le rotor et à les court-circuiter pour parvenir à la machine asynchrone.
Pour terminer sur des aspects strictement technologiques, la dernière partie s’attache à présenter la constitution de la MAS au travers de ses trois parties principales : le stator, l’entrefer et le rotor. C’est l’occasion de montrer que si la structure du stator reste invariante, le rotor peut être constitué d’enroulements bobinés ou de conducteurs moulés en cage d’écureuil.
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Machine Asynchrone Triphasée _ Principe, Fonctionnement Et Structure Interne (pdf)
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