La Machine Asynchrone Monophasée (TP N°3 " Usthb ") [PDF]

Zitiervorschau

1-Partie théorique La machine asynchrone monophasée

La constitution interne d'une machine asynchrone monophasée est la même que celle d'une machine triphasée à la différence près, que son stator est composé d'un enroulement et non de trois. Le champ magnétique créé par une bobine monophasée est un champ pulsant et non tournant comme pour celui créé par trois bobines triphasées. Un champ pulsant peut se décomposer en deux champs tournants qui se déplacent dans des sens opposés. Chaque champ tournant tendant à entraîner la machine dans le même sens que lui. Lorsque le rotor est à l'arrêt, le couple créé par chacun des champs tournants est de même valeur. Ainsi, le moteur ne peut démarrer. Pour démarrer un tel moteur, il faut donc le lancer ou avoir recours à un dispositif annexe. Une fois le moteur lancé, et amené à sa vitesse nominale, le moteur possède un glissement proche de 0 pour l'un des champs tournants, et de 2 pour le second. Le couple créé par le premier champ étant plus important que le couple créé par celui de sens contraire, le moteur continue à tourner. Les machines asynchrones monophasées ont des caractéristiques (couple/puissance massique, rendement, facteur de puissance, etc.) plus faibles que leurs homologues multiphasées. Ces machines sont toujours utilisées en moteur et généralement limitées à des puissances de quelques kilowatts. Dispositifs de démarrage : Lorsqu'il est alimenté en monophasé, le moteur asynchrone nécessite un système de démarrage. Différentes solutions permettent une différenciation de ces moteurs .Dans ce cas on a utilisé : - Un enroulement auxiliaire de démarrage en série avec un condensateur, avec éventuellement un commutateur centrifuge de coupure : ce type de moteur peut généralement fournir un plus grand couple de démarrage. On les trouve dans les machines à laver et dans l'outillage électroportatif de puissance moyenne (supérieure à 1500 W). - À l'arrêt le condensateur et l'enroulement de démarrage sont reliés à la source d'énergie, fournissant le couple de démarrage et déterminant le sens de rotation. Il suffit d'inverser l'enroulement auxiliaire pour que le moteur tourne dans l'autre sens. - Usuellement, une fois le moteur lancé à une certaine vitesse, un interrupteur centrifuge ouvre le circuit de l'enroulement et du condensateur de démarrage. But de la manipulation : Etudie le moteur asynchrone monophasé à condensateur a cage d’écureuil Schéma du branchement détailler

Les appareils de mesure nécessaire sont : Un voltmètre (pour mesuré la tension V) Un ampèremètre (pour mesuré le courant I) Un wattmètre (pour mesuré la puissance P)

Allure des courbes

Rôle de la dynamo de frein Freinage de la machines et alors variation de la vitesse dans les deux sens donc il peut aussi augmenté la vitesse Domaines d’utilisation : - Traction électrique (Eurostar notamment) - Propulsion des navires - Machines-outils - Ascenceurs - Treuils - Pompes - Électroménager Avantages : - Leur principal intérêt, est qu’elles sont adaptées à la forme de distribution d’énergie chez les particuliers - Une Large utilisation de cette machine - Varier la vitesse jusqu'à la vitesse nominale - Son rapport coût/puissance est le plus faible - Associés à des onduleurs de tension, les moteurs asynchrones de forte puissance peuvent fonctionner à vitesse variable dans un large domaine (les derniers TGV, le Tram de Strasbourg, ...). - Il est alors possible de changer le nombre de paires de pôles et donc la vitesse. Inconvénients : - Il ne démarre pas tout seul - Le condensateur ne doit pas opposer la moindre résistance au passage du courant alternatif, sinon il chaufferait. D'ailleurs, si un condensateur chauffe lors de sa mise sous tension, vous pouvez être sûr qu'il est défectueux. De même, un condensateur qui a gonflé ou qui a coulé est mort. - Ces machines sont toujours utilisées en moteur et généralement limitées à des puissances de quelques kilowatts. - Les machines monophasées ont des rendements médiocres (champ tournant glissant en sens inverse du sens de rotation qui implique l’existence de courants de Foucault importants). - l’emploi de ce type de moteur est évité en très forte puissance (P > 10 MW) car la consommation de puissance réactive est alors un handicap Conclusion Le moteur asynchrone monophasé est utilisé dans les faible puissances a cause des problèmes dans le rendement par ailleurs il ne pas démarré tout seul, il a besoin d’une chose pour l’entraîné (la main ou circuit RC ….) Il est moins utilisé que le triphasé

2- Partie pratique : En relève I, N , P ,V au moment du déclanchement de l’interrupteur centrifuge Voici les trois essais faites : I(A) N(tour/min) P(w) V(v) U(v)

2 1100 32 120 300

1.38 900 30 114 300

1 800 8 84 150

Remarque : Wattmètre : P= lecture x 2 Ampèremètre I = lecture x 0.1 Voltmètre V = lecture x 3

En charge la machine par l’intermédiaire de la dynamo-frein et en relève les paramètres I, N , P ,V I(A) N(tour/min) P(w) V(v) Γ( )

1.7 1600 20 660 0

1.8 1590 30 660 0.25

1.9 1580 40 660 0.75

Et de ces valeurs on peut calculer S , Q ,Cos φ en utilisons les équations Q= (S2-P2)1/2 S= V I Cos φ = P/S

S (w) Q( ) Cos φ ( rad )

1.7 1600 20

1.8 1590 30

1.9 1580 40

Γ= f ( P)

I= f ( P)

Q= f ( P)

N= f ( P)

Cos φ = f ( P)

2- partie pratique : *- essai a vide : On entraîne l’alternateur à vitesse constante de 1500 tr/min grâce a un moteur d’entraînement . on alimente le rotor avec un courant continu qui ne doit pas dépassé 5/4 de sa va leur nominale 1.25 x IN = 1.5 x1.5 = 1.8 A On faiit varié ce courant jusqu’au obtenir sa valeur nominal maximal On vérifie que la valeur de f.e.m ne dépasse 1.25 de la tension nominal 1.25 x VN = 1.25 x 380 = 475 V VN/ phase = 475 / (3) ½ = 274 .24 V Et voici les valeurs obtenues : E (v)

J (A)

2.34

0

55.5

0.3

75

0.4

91

0.5

106

0.6

120

0.7

133

0.8

E (v)

J (A)

144

0.9

156

1

165

1.1

174

1.2

177

1.3

183

1.4

198

1.5

*- essai en court circuit : On entraîne l’alternateur à vitesse constante de 1500 tr/min ; on augmente le courant d’excitation Ie de 0 jusqu'à la valeur nominal 1.8

Le courant statorique ne doit pas dépassé 0.23 x 1.25 = 0.28 A On court circuit les phases de la machine et on prend les mesures de I cc = f (Ie) Icc(mA)

Ie (A)

280

0.86

250

0.81

230

0.72

200

0.68

180

0.6

160

0.52

Icc(mA)

Ie (A)

140

0.46

100

0.32

75

0.26

50

0.18

25

0.14

0

0

Couplage de l’alternateur au réseau : P(w) V(v) I(A) Γ( ) N(tour/min )

50 270 0.14 0 1500

60 270 0.15 0.25 1500

100 270 0.17 0.5 1500

120 270 0.19 0.75 1500

η = Pu/pa = [ ( 3) ½ V I cos φ ]/ C m Ω s

140 270 0.22 1 1500

0.24 1.25 1500

2-partie théorique Généralités sur la machine synchrone Les machines de type synchrone représentent aujourd’hui une part importante du marché des convertisseurs électromécaniques d’énergie et couvrent une gamme de puissance très large qui s’étend de quelques μW, jusqu’à 1GW environ. Traditionnellement, les fortes puissances restent le domaine réservé de la production d’électricité. En fonctionnement moteur, en revanche, les puissances installées dépassent rarement quelques dizaines de MW. Le moteur synchrone fonctionnant en vitesse variable le plus puissant connu à ce jour, d’une puissance de 100 MW, a été conçu pour une soufflerie de la NASA (figure 1c).

Figure 1a : moteur industriel aimants permanents qq kW

Figure 1b : démonstrateur de propulsion naval à aimants permanents 1.8 MW

Figure 1c : rotor de moteur synchrone 100 MW ( à 600 tr/ min )

Historiquement, les premiers aimants permanents ont été utilisés au début du 19ème siècle. De performances très modestes à leurs débuts, les progrès réalisés depuis plus d’un siècle ont contribué au développement des machines à aimants. L’utilisation d’aimants permanents est aujourd’hui quasiment systématique pour les puissances inférieures à 10 kW et s’étendent maintenant vers les fortes puissances (au delà du MW). Au-delà, le coût d’utilisation d’aimants devient souvent prohibitif (de l’ordre de 150 euros/kg pour le Nd/FB). Seules quelques applications très spécifiques, comme par exemple la propulsion navale où les contraintes d’encombrement sont majeures, envisagent l’utilisation des aimants pour des fortes puissances (4.5 MW à 120 tr/min .) But de la manipulation : Etudie la machines synchrone triphasé pour les deux type de fonctionnement : moteur et génératrice Schéma du branchement détailler Essai à vide :

Essai en court circuit :

Les appareils de mesure nécessaire sont : Un voltmètre ( pour mesuré la tension V ) Un ampèremètre ( pour mesuré le courant I ) Un wattmètre ( pour mesuré la puissance P )

Allure des courbes

Rôle de la dynamo de frein Freinage de la machines et alors variation de la vitesse dans les deux sens donc il peut aussi augmenté la vitesse Domaines d’utilisation : - Traction ferroviaire, véhicules électriques, propulsion marine 1MW-100MW - grosse industrie 100kW-1MW - Maintenant (et de plus en plus) l’industrie pour les systèmes de production 100W -100 KW - petits moteurs (typiquement: ventilateurs) - lecteurs de disquettes 1W – 100 W Avantages : - large domaine d’utilisation - Synchronisme du rotor par rapport au champ tournant statorique - La machine synchrone est plus facile à réaliser et plus robuste que le moteur à courant continu. Son rendement est proche de 99%. On peut régler son facteur de puissance en modifiant le courant d’excitation Ie. - utilisation dans les centrales électriques (on parle d'alternateur). Elle a également été utilisée en traction ferroviaire (rôle moteur) dans le TGV atlantique… - Elle est également plus coûteuse à réaliser que la plupart des machines asynchrones. - tourner à vitesse constante et de pouvoir fournir des tensions triphasées équilibrées de fréquence stable. De plus, elle peut fournir du réactif (comme une capacité). Inconvénients : - Impossibilité de démarrage sans aide extérieure. - Un moteur auxiliaire de démarrage est souvent nécessaire. Il faut une excitation, c’est-à-dire une deuxième source d’énergie. Si le couple résistant dépasse une certaine limite, le moteur décroche et s’arrête. - Néanmoins, on la rencontre peu dans les applications domestiques, car elle est plus coûteuse à fabriquer et moins robuste que la machine asynchrone et elle ne peut pas démarrer simplement de façon autonome... Conclusion A cause de leurs inconvénients gainant l’utilisation des machines synchrones est devenu rare sauf dans des domaines bien spécifier et en a remplacé par les machines asynchrones qui apporte beaucoup de bien et efficacité dans les différentes utilisations.

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