Champs tournants Machines synchrones Machines · PDF file 2015-01-21 · Champs...

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  • Champs tournants, machines asynchrones, machines synchrones

    Ivan FRANCOIS 1

    1

    Champs tournants Machines synchrones Machines asynchrones

    2

  • Champs tournants, machines asynchrones, machines synchrones

    Ivan FRANCOIS 2

    3

    Champs tournants

    4

    Première expérience

    • L’aiguille aimantée s’aligne dans le sens de B créé par l’aimant

    • Dès que l’aimant tourne, l’aiguille tourne dans le même sens et à la même vitesse

    • Cette vitesse est Ωs: vitesse de synchronisme

    n s NS

    aimant

    Aiguille aimantée

  • Champs tournants, machines asynchrones, machines synchrones

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    5

    Deuxième expérience (schéma)

    1

    2

    3

    i1

    i2

    i3

    Bobine 1

    Bobine 3

    Bobine 2

    N

    n s

    6

    Deuxième expérience (description)

    • 3 bobines identiques à 120 degrés • Alimentées par un réseau triphasé i1, i2, i3

    • On alimente les bobines • L’aiguille tourne dans un sens

    – On fait varier la fréquence, la vitesse varie – On inverse une phase, l’aiguille tourne dans l’autre sens

    i1=I 2cos(ω.t)

    2π i2=I 2cos(ω.t- )

    3 4π

    i3=I 2cos(ω.t- ) 3

  • Champs tournants, machines asynchrones, machines synchrones

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    Première conclusion

    • 3 bobines disposées à 120 degrés l’une de l’autre créent un champ magnétique tournant dont le sens dépend de l’ordre des phases d’alimentation des bobines

    • La vitesse de rotation est exactement égale à la fréquence des courants dans la bobine

    • Ωs=2.π.f • Si f= 50 Hz alors Ns=Ωs/2 π = 50 T/s

    8

    Troisième expérience

    • Le champ tournant provoque une rotation du disque mais à une vitesse inférieure au synchronisme

    • Il s’agit d’une rotation asynchroneNS

    aimant

    Disque plein, matériau conducteur

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    Quatrième expérience

    • 2 bobines coaxiales alimentées par un même courant créent 2 champs tournants dans le sens inverse

    • L’aiguille tourne à la vitesse de synchronisme dans un sens ou l’autre

    n s

    230 V alternatif

    Bobine 1 Bobine 2

    ou

    10

    Champ tournant dans l’entrefer d’une machine triphasée

    • 2 cylindres ferromagnétiques coaxiaux

    • 3 spires plates MM’, PP’, QQ’ décalées de 120°

    • Ces 3 spires sont parcourues par 3 courants i1, i2, i3

    • Les 3 courants forment un système triphasé

    • À t=0, le champ B résultant est dirigé vers le haut

    -1,5

    -1

    -0,5

    0

    0,5

    1

    1,5

    0 1 2 3 4 5 6 7

    i1

    i2

    i3

    P

    P’

    M’ M

    Q

    Q’

    B

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    Vitesse de rotation du champ tournant

    • Le champ magnétique dû à l’ensemble des 3 spires parcourues par des courants dont les intensités forment un système triphasé, tourne dans le sens horaire

    • La vitesse de rotation du champ tournant est égale à la fréquence f des courants

    • Ω=ω (ω : pulsation des courants) • ns =f • Dans le cas où le stator comporte 2p pôles, la vitesse de

    synchronisme est Ω=ω/p (rad/s) n=f/p (tr/s) • Exemple

    – f=50Hz, p=1 => ns=3000 tr/mn – f=50Hz, p=2 => ns=1500 tr/mn

    12

    Type de rotation • Le cylindre à l’intérieur (rotor) tournera selon 2

    modes:

    • Rotation synchrone – Le rotor tourne à la même vitesse que le champ

    tournant => machine synchrone

    • Rotation asynchrone – Le rotor tourne moins vite que le champ tournant

    => machine asynchrone

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    13

    Machine asynchrone

    14

    Introduction

    • Le moteur asynchrone est utilisé dans de nombreux équipements – Machine outils (fraise, tours) – Electroménager – TGV

    • Les moteurs asynchrones sont robustes, faciles à construire et ont un bon rapport poids puissance

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    Principe de la rotation asynchrone

    • Le stator, formé de 3 bobines décalées de 120° et alimentées par un réseau triphasé, créé un champ tournant à la vitesse Ns

    • Le rotor, traversé par des courants tourne à la vitesse N

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    17

    Le rotor à cage d’écureuil

    • Des barres métalliques parallèles sont reliées par 2 anneaux conducteurs

    • Il n’est pas accessible électriquement • Il est facile à construire et présente un

    faible coût

    18

    Rotor bobiné

    • La structure est semblable au stator: 3 enroulements triphasés ayant le même nombre de pôles que le stator

    • On peut accéder aux trois bornes grâce à un système de balais

    • Les enroulements sont en court circuit

    Rotor Rhéostat fixe

    Balais

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    Principe de fonctionnement

    • Les courants statoriques de pulsation ωs=2.π.fs créent un champ tournant à la vitesseΩs=

    ��

    • Le champ tournant balayant le bobinage rotorique fait varier le flux à travers ces bobines

    • La varaition de flux créé une fem dans ces bobines (e = −

    ��

    � )

    • Les bobines étant en court circuit, ces fem y produisent des courants

    • L’action du champ tournant sur les courants cré le couple qui fait tourner le moteur (F=iLB)

    20

    Champ tournant rotorique

    • Le champ tournant tourne à Ωs

    • Le rotor tourne à Ω

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    Glissement

    • La vitesse du rotor Ω est toujours inférieure à celle du champ tournant Ωs

    • Si jamais Ω= Ωs , le flux serait constant à travers les bobines rotoriques

    • Donc il n’y aurait plus de fem donc plus de couple

    • On définit le glissement:

    s

    s

    s

    s

    s

    s

    n

    nn

    ω

    ωω

    ΩΩ g

    − =

    − =

    − =

    ω=pΩ

    ωs=pΩs

    22

    Fréquence des courants rotoriques

    • Le rotor est balayé par un champ tournant à

    Ωr =Ωs – Ω

    • La pulsation des courants induits dans le rotor est ωr=p(Ωs – Ω)

    • Soit ωr=p.Ωs.g=g.ωs • D’où

    fr=g.f

    Fréquence des courants rotoriques

    Fréquence des courants statoriques (réseau)

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    Exemple

    • MAS triphasée: 2 paires de pôles branchée sur le réseau 50Hz tourne à 1450 tr/min – Vitesse de synchronisme :

    ns=f/2=25 tr/s=1500 tr/min – Ωs=2.π.ns=157 rad/s – n=1450 tr/min=24,2 tr/s

    Hz 1,6gff

    3,3%0,033 1500

    14501500

    n

    nn g

    r

    s

    s

    ==

    == −

    = −

    =

    24

    Symbole, facteur de puissance

    • Seul le stator est alimenté, le rotor est en court circuit

    • Le moteur asynchrone se présente comme un récepteur triphasé équilibré inductif ayant un cosφ

    M 3~

    M 3~

    Rotor bobiné

    Rotor à cage d‘écureuil

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    Puissance transmise au rotor

    • Le moteur absorbe la puissance active

    • Les pertes fer au stator Pfs ne dépendent que de U et f et sont constantes

    • Les pertes joules stator: Pjs=3RI2 avec R: résistance d’un enroulement

    • Puissance transmise: Ptr=P1-Pfs-Pjs

    P1 (électrique)

    Puissance mécanique

    utile

    Pjs Pfs Pjr Pfr

    stator rotor

    Ptr

    ϕ.U.I.cos3P1 =

    Pm

    PM: Puissance mécanique totale

    26

    Moment du couple électromagnétique

    • La puissance Ptr est transmise au rotor par le champ tournant à Ωs

    • Il lui correspond un couple, c’est le couple électromagnétique

    Cem = P � Ω�

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    27

    Puissance mécanique totale

    • Le couple électromagnétique de moment Cem entraine le rotor à la vitesse Ω

    • Il lui communique une puissance mécanique totale

    PM =Cem.Ω

    PM=(Ptr/Ωs).Ω

    PM=Ptr(1-g)

    28

    Bilan des puissances au rotor

    • Pertes fer rotor Pfr dépendent de la fréquence des courants rotorique fr=g.f qui est très faible donc on les néglige très souvent

    • Les pertes joule rotor

    Pjr=Ptr-PM=Ptr-P