Mémoire Moteur Asynchrone [PDF]

Zitiervorschau

‫الجمھورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية‬ République Algérienne Démocratique et Populaire ‫وزارة التعليم العالي والبحث العلمي‬ Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

‫عنابة‬-‫جامعة باجي مختار‬

Université badji mokhtar-annaba

FACULTE : Sciences de l’Ingéniorat DEPARTEMENT : Électrotechnique

MEMOIRE DE MASTER DOMAINE : Sciences et Technologies FILIERE : Électrotechnique OPTION : Electronique de puissance

Thème ETUDE ET SIMULATION D’UNE MACHINE ASYNCHRONE ALIMENTE PAR UN ONDULEUR DE TENSION A COMMANDE MLI Présenté par:

Dirigé par:

BOUDJTAT WALID HIMOURA ABEDELKADER

KELAIAIA M S

Jury de soutenance:

- Bensiali Nadia

Président

MCA

Université d’Annaba

- Kelaiaia M S

Rapporteur

MCA

Université d’Annaba

- Ourici Amel

Examinateur MCA

Université d’Annaba

Promotion : juin 2017

Avant tous, je remercie dieu le tout puissant deM’avoir donné le courage et la patience pour réaliserce travail malgré toutes les difficultés rencontrées.

Je dédie ce modeste travail : A mes très chers parents, que dieu les garde et lesprotège pour leurs soutien moral et financier, pour leur encouragements et les sacrifices qu’ils ontendurés. A mes frères :Ghani A mes sœurs :Hiba

Said Alla Bilel

Radja Sara

A ma grande famille :HIMOURA & SAHLI A mescollègues :

Electronique de puissance

Aux chers amis :Amir,

Chérif, Raouf, Abdallah, Okeba,

Achref,Chérif, Mossab, Chamssou, Hamza, Zinou, Bonco, Abdou, Chouaib, Jalal, Said

A tous les amis (es) d’études surtout ceux D’électrotechnique promotion juin 2017 H.KADII JUDGE

Avant tous, je remercie dieu le tout puissant de m’avoir donné le courage et la patience pour réaliser ce travail malgré toutes les difficultés rencontrées.

Je dédie ce mémoire : A mes chers parents ma mère et mon père pour leurs patience, leurs amours, leurs soutient morale et financier ainsi leurs encouragements et aussi tous les sacrifices qu’ils ont endurés que dieu les gardent et veillent sur eux. A mes frères et à ma sœur. A mes amis et à mes camarades d’électronique de puissance et surtout à tous ceux d’électrotechnique promotion juin 2017.

BOUDJATAT WALID

Je tiens à remercier : Mon encadreurMme. KlaiaiaMS pour son suivi continu ainsi que sa bonne orientation du travail. Mes remerciements vont également à tous les enseignants dans le département. Je remercie également les membres de jury :

Mme.Ourici Amel Mme.Bensiali Nadia D’avoir acceptés d’honorer par leur présence la soutenance de notre MEMOIRE DE MASTER. En fin je remercie tous ceux qui m’ont aidés de prés ou de loin afin d’achever ce travail enparticulier mes collègues du département électrotechnique.

SOMMAIRE

21 juin 2017  

Introduction générale……………………………………………………………….. 01

Chapitre I Etude et fonctionnement de la machine asynchrone I.1.Introduction……………………………………..……………………………… 03 I.2. Principe de fonctionnement de la machine asynchrone………………….… 03 I.3. Glissement d’une machine asynchrone…………..…………………………... 04 I.4. Constitution de la machine asynchrone……………………………………… 04 a)

Stator…………………………………………………………………...….. 05

b)

Rotor…………………………………………..…………………………… 07

I.4.1. Les différentes configurations des machines asynchrones.……………….. 08 a)

Stator…………….…………………………………………..……………... 08

b)

Rotor…………………………………………..……………………………. 08 b).1. Moteur asynchrone à cage d’écureuil (rotor en court-circuit)…… 08 b).2. Moteur asynchrone à rotor bobiné (rotor à bague)………………. 09 b).3. A double cage………………………………………………………... 11 b).4. A double encoches ou à encoches profondes.……………………… 11

I.4.2. Avantages et inconvénients de la machine asynchrone……………………. 11 I.5.

La variation de la vitesse dans les MAS……………………………………... 12

I.5.1 Quadrants de fonctionnements………………………………………………. 12 I.5.2. Réglage par variation de tension…………………………………………….. 14 I.5.3. Réglage par action sur le glissement………………………………………… 14 I.5.4. Réglage par variation de la vitesse…………………………………………... 14 I.6.

Démarrage de la machine asynchrone………………………………………. 15

I.6.1. Démarragedirect moteur 1sens de rotation………………………………… 15 I.6.2. Démarrage direct moteur 2 sens de rotation………………………………... 15 I.6.3. Démarrage moteur étoile/triangle…………………………………………… 15 I.6.4. Démarrage par résistance rotorique………………………………………… 16 I.6.5. Démarrage par résistance statorique………………………………………... 16 I.6.6. Démarrage électronique……………………………………………………… 17 I.7.

Freinage des moteurs asynchrones………………………………………….. 17

I.7.1. Freinage à contre-courant…………………………………………………… 17



ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017



SOMMAIRE

21 juin 2017  

I.7.2. Freinage par injection du courant continu…………………………………. 18 I.7.3. Freinage par fonctionnement en hyper synchrone………………………… 18 I.7.4. Freinage par fonctionnement en génératrice asynchrone…………………. 18

Chapitre II Modélisation de la machine asynchrone II.1. Introduction……………………………………………………………………. 19 II.2. Hypothèses simplificatrices………………………………………………….... 21 II.3. Mise en équation du modèle de la machine…………………………………. 21 II.3.1. Equation électrique…………………………………………………………. 22 II.3.2. Equation magnétique……………………………………………………….. 22 II.3.3. Equation mécanique………………………………………………………... 24 II.4. Transformation de Park…………………………………………………….... 25 II.4.1. Equation électrique…………………………………………………………. 28 II.4.2. Equation mécanique………………………………………………………… 29 II.4.3. Choix du repère (d, q)……….……………………………………………… 29 II.4.4. Référentiel fixe par rapport au stator……………………………………... 29 II.4.5. Référentiel fixe par rapport au rotor……………………………………… 30 II.4.6. Référentiel fixe par rapport au champ tournant…………………………. 31

Chapitre III Etude de l'onduleur de tension triphasé III.1. Introduction…………………………………………………………………… 32 III.2. Types d’onduleurs …………………………………………………………..... 34 III.2.1. Les Onduleurs de courant…………………………………………………. 35 III.2.2. les Onduleurs de tension…………………………………………………… 35 III.3. Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasés ……………………… 36 III.4. Les différentes techniques de commande de l’onduleur …………………... 37 III.4.1. Onduleur de tension à commande 180°…………………………………… 37 III.4.2. Onduleur de tension à commande 120°…………………………………… 45 III.4.3. Interprétation des courbes…………………………………………………. 52



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SOMMAIRE

21 juin 2017  

III.5. Modélisation de l’onduleur………………………………………………….. 52 III.5.1. Onduleur de tension à modulation de largeur d’impulsion MLI……….. 52 III.5.2. Modélisation d’un bras d’onduleur triphasé……………………………… 53 III.5.3. Tableau récapitulatif……………………………………………………….. 54 III.5.4. Fonction de connexion……………………………………………………… 55 III.5.5. Les potentiels des nœuds………………………………………………….... 56 III.5.6. Les Tensions composées……………………………………………………. 56 III.5.7. Les Tensions simples………………………………………………………... 56 III.6. Stratégie de commande triangulo-sinusoidale à une seule porteuse……..... 57 III.6.1 Interprétations des résultats………………………………………………… 63

Chapitre IV Association machine asynchrone-onduleur IV.1. Association machine asynchrone onduleur………………………………….. 64 IV.1.1 Interprétation des résultats de simulation………………………………….. 71

Conclusion générale…………………………………………………………………... Annexe 1…………………………………………………………………………………… Annexe 21…………………………………………………………………………………. Annexe 22…………………………………………………………………………………. Annexe 31…………………………………………………………………………………. Annexe 32…………………………………………………………………………………. Bibliographie



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72 73 74 75 76 77



LISTE DES FIGURES

21 juin 2017

 

Fig. (I.1) : Constitution du moteur asynchrone…………………………………………….. 05 Fig. (I.2) : Stator. …………………………………………………………..………………… 06 Fig. (I.3) : Influence du nombre de paires de pôles sur la vitesse de rotation et de la forme du champ statorique résultant……………………………………. 06 Fig. (I.4) : Rotor………………………………………………………………………………. 08 Fig. (I.5) : Structure d’un Rotor en cage d’écureuil………………………………………... 09 Fig. (I.6) :Structure d’un rotor bobiné……………………………………………………... 10 Fig. (I.7) : Quadrants de fonctionnement…………………………………………………… 13 Fig. (II.1) : Représentation schématique d’une machine asynchrone triphasée………….. 21 Fig. (II.2) : représentation angulaire des systèmes d’axes dans l’espace électrique……… 25 Fig. (II.3) : Caractéristiques de sortie de la machine à pleine tension à vide……………... 32 Fig. (II.4) : Caractéristiques de sortie de la machine à pleine tension en charge…………. 33 Fig. (III.1) : Onduleur de tension à deux niveau…………………………………………….. 36 Fig. (III.2) : Tension et spectre d’Ua pour l’onduleur à conduction 180°. ………………… 44 Fig. (III.3) : Tension et spectre d’Uab pour l’onduleur à conduction 120°. ………………. 51 Fig. (III.4.1): Onduleur à deux niveaux……………………………………………………... 52 Fig. (III.4.2): Un bras de l’onduleur à deux niveaux et ces différentes configurations C0, C1, C2……………………………………………………... 53 Fig. (III.5) : Commande triangulo-sinusoïdaleM=6 (Porteuse dent de scie, porteuse triangulaire)………………………………….. 58 Fig. (III.6) : Tension Vkm, tension Vk pour M=6 (Porteuse dent de scie). ……………….. 59 Fig. (III.7) : Tension Vkm, tension Vk pour M= 36 (Porteuse dent de scie).……………… 60 Fig. (III.8) : Tension Vkm, Tension Vk pour M=6 (Porteuse triangulaire)……………….

61

Fig. (III.9) : Tension Vkm, Tension Vk pour M= 36 (Porteuse triangulaire)……………... 62 Fig. (III.10) : Commande de BK1M=6 , et fonctions de connexion………………………… 63 Fig. (IV.1) : Association onduleur machine à vide pour m=6.…………………………….... 64 Fig. (IV.2) : Association onduleur machine en charge pour m=6.…………………………. 65 Fig. (IV.3) : Association onduleur machine à vide pour m=12.…………………………….. 66 Fig. (IV.4) : Association onduleur machine en charge pour m=12…………………………. 67 Fig. (IV.5) : Association onduleur machine à vide pour m=36…………………………….... 68 Fig. (IV.6) : Association onduleur machine en charge pour m=36.………………………..... 69

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TABLE DES NOTATIONS ET SYMBOLES 21 juin 2017  

A, b, c

Axes liés aux enroulements triphasés.

n

La vitesse de rotation.

ns

La vitesse de rotation du champ statorique.

p

Le nombre de paires de pôles.

f

La fréquence de l’alimentation.

g

Le glissement.

w

La vitesse angulaire de rotation.

ws

La vitesse angulaire de synchronisme du champ statorique. 

U

Les tensions.

R

La résistance. 

Req

La résistance équivalente.

I

Le courant.

T1, T2, T0

Temps de commutation dans le premier secteur.

K1, K2, K3 Rapports cycliques des temps de commutation par rapport à la période de Modulation. Tm

Période de modulation.

Vréf

Les tensions de références.

VP

Modulation ou porteuse triangulaire.

Fp

Fréquence de la porteuse triangulaire. 

m

L’indice de modulation.

r

L’indice de réglage ‘’ Taux de modulation ‘’.

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TABLE DES NOTATIONS ET SYMBOLES 21 juin 2017  

φs

La phase a statorique .

φr

La phase a rotorique.

Ls

L’inductance propre d’une phase statorique.

Lr

L’inductance propre d’une phase rotorique.

Ms

L’inductance mutuelle entre deux phases statoriques.

Mr

L’inductance mutuelle entre deux phases rotoriques.

Msr Ѳ

Le maximum de l’’inductance mutuelle entre deux phases rotoriques st une phase statorique. Angle électrique définit la position relative instantanée entre les axes rotorique et les statorique.

Msr

Matrices des inductances mutuelles du couplage stator-rotor.

J

Moment d’inertie du rotor.

F

Coefficient de frottement visqueux.

Ce

Couple électromagnétique.

Cr

Couple résistant.

0

Indice de l’axe homopolaire.

‟d”

Indice de l’axe direct.

‟q”

Indice de l’axe quadrature.

Ls

Inductance cyclique statorique.

Lr

Inductance cyclique rotorique.

MAS

Machine asynchrone.

MLI

Modulation de largeur d’impulsion.

PWM Puise with modulation   ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017 

RESUME  L’entraînement à vitesse variable des machines électriques était l’objectif de plusieurs études dans ces dernières années grâce à l’évolution technologique des convertisseurs statique qui représente le variable cœur de tout système électrique. L’association des convertisseurs statiques aux machines asynchrone permet de réaliser des ensembles électromécaniques à vitesse variable tout en conservant les avantages bien connus de ce type de moteur, à savoir le faible coût, robustesse et entretient réduit. Ces variateurs de vitesse doivent être étudiés de commandes sophistiquées pour atteindre des performances comparables à ceux utilisant des machines à courant continu. Les onduleurs triphasés sont les plus utilisés dans les industries à cause de leurs faible prix, très approuvés du côté de la réalisation et facile du côté de la commande électrique. Ce présent travail est relatif à une étude comparative entres les différentes techniques de commandes des onduleurs à MLI associés à une machine asynchrone. 1. Le premier chapitre est consacré à l’étude et le fonctionnement de la machine asynchrone. 2. Le deuxième chapitre est consacré à la modélisation de la machine asynchrone alimenté depuis le réseau. 3. Dans le troisième chapitre nous présentons les différentes techniques de commande des onduleurs, avec bien sur une étude bien détaillée des techniques les plus utilisés actuellement à savoir la modulation sinusoïdale triangulaire. Cette étude est consacrée à la conception d’une stratégie de commande qui permet de donné une meilleure forme de la tension de sortie, donc une meilleure qualité spectrale. 4. Le quatrième chapitre est consacré à l’association machine convertisseur.  A la fin de ce travail nous donnons une conclusion générale qui résume tous les résultats de simulation.

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ABSTRACT  The variable speed drive of electric machines was the objective of several studies in recent years thanks to the technological evolution of static converters, which represents the heart variable of any electrical system. The combination of static converters and asynchronous machines makes it possible to produce variable speed electromechanical assemblies while retaining the well-known advantages of this type of motor, namely low cost, robustness and reduced maintenance. These variable speed drives must be studied with sophisticated controls to achieve performances comparable to those using DC machines. Three-phase inverters are the most widely used in industries because of their low price, very approved on the side of the realization and easy on the side of the electric control. This paper deals with a comparative study of the different control techniques of the inverters with an asynchronous MLI. 1. The first chapter is devoted to the study and operation of the asynchronous machine. 2. The second chapter is devoted to the modeling of the asynchronous machine fed from the network. 3. In the third chapter we present the different control techniques for inverters, with a detailed study of the most commonly used techniques, namely triangular sinusoidal modulation. This study is devoted to the design of a control strategy, which allows giving a better shape of the output voltage, thus a better spectral quality. 4. The fourth chapter is devoted to the association machine converter.  At the end of this work, we give a general conclusion, which summarizes all the simulation results.

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‫ملخص‬ ‫‪‬‬

‫كان محرك السرعة المتغير لآلالت الكھربائية الھدف من عدة دراسات في السنوات‬ ‫األخيرة بفضل التطور التكنولوجي للمحوالت الساكنة التي تمثل متغير القلب ألي‬ ‫نظام كھربائي ‪.‬مزيج من محوال ثابتة واآلالت غير المتزامنة يجعل من الممكن‬ ‫إلنتاج متغيرة السرعة الكھروميكانيكية التجميعات مع الحفاظ على مزايا معروفة‬ ‫جيدا من ھذا النوع من المحركات‪،‬وھي منخفضة التكلفة والمتانة وخفض الصيانة ‪.‬‬ ‫يجب دراسة ھذه المحركات المتغيرة السرعة مع عناصر تحكم متطورة لتحقيق أداء‬ ‫مماثل لتلك التي تستخدم أجھزة ‪ .DC‬العاكس وبثالث مراحل ھي األكثر استخداما‬ ‫في الصناعات بسبب انخفاض األسعار‪ ،‬وافق جدا على جانب تحقيق وسھولة على‬ ‫جانب السيطرة الكھربائية‪ .‬تتناول ھذه الورقة دراسة مقارنة ألساليب التحكم‬ ‫المختلفة للعاكسين مع مد يغير متزامن‪.‬‬ ‫‪.1‬‬

‫خصص الفصل األول لدراسة وتشغيل اآللة غير المتزامنة‪.‬‬

‫‪.2‬‬

‫ويخصص الفصل الثاني لنموذج الماكينة غير المتزامنة التي تغذيھا الشبكة‪.‬‬

‫‪.3‬‬

‫في الفصل الثالث نقدم تقنيات التحكم المختلفة للعاكسين‪،‬مع دراسة مفصلة من‬ ‫التقنيات األكثر استخداما‪،‬وھي التشكيل الثالثي الجيبية‪ .‬وتخصص ھذه الدراسة‬ ‫لتصميم إستراتيجية التحكم‪ ،‬والذي يسمح إعطاء شكل أفضل من الجھد الناتج‪،‬‬ ‫وبالتالي أفضل نوعية طيفية‪.‬‬

‫‪.4‬‬

‫‪‬‬

‫ويخصص الفصل الرابع لتحويل آلة جمعية‪.‬‬ ‫في نھاية ھذا العمل‪ ،‬نقدم استنتاجا عاما‪ ،‬والذي يلخص جميع نتائج المحاكاة‪.‬‬

‫‪ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017 ‬‬

   

 

Introduction Générale

                 

CHAPITRE I Etude Et Fonctionnement De La Machine Asynchrone                  

 

                 

CHAPITRE II La Modélisation De La Machine Asynchrone                    

 

                 

CHAPITRE III Etude De L’onduleur De Tension Triphasé                    

                 

CHAPITRE IV Association Machine Asynchrone Onduleur                    

 

             

Conclusion Générale

INTRODUCTION GENERALE

[Sélectionnez la date] 

   

INTRODUCTION GENERALE Les trois machines " à courant continu, synchrone, asynchrone" ont de tout

temps servi les besoins de l’industrie traditionnellement, ces

machines électriques ont été commandées

manuellement et les

équipements pour ces opérations sont complexes et coûteux. Le développement des convertisseurs et l’avancée rapide des semiconducteurs ont permis durant ces trois derniers décennies une intense activité de recherche sur le développement de l’entraînements électrique à vitesse variable des machines électriques. La machine asynchrone justifie le grand intérêt de l’industrie vis-à-vis de ce type de machine de plus, les développements récents de l’électronique de puissance et de commande permettent aux moteurs asynchrones d’avoir les mémés performances que celles des machines à courant continu. En revanche, les machines à courant alternatif (synchrone et asynchrone) possèdent de nombreux avantages. L’absence de collecteur leur permet d’avoir en cambrement réduit, une fiabilité accrue et une vitesse de fonctionnement élevée. L’utilisation de la machine asynchrone est en pleine expansion grâces aux avantages qu’elles offrent sur les autres types de machine électrique le faible cout la masse réduit la robustesse et la simplicité de construction.

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INTRODUCTION GENERALE

[Sélectionnez la date] 

 

L’association de la machine asynchrone – convertisseur statique est à leur Actuelle, la plus utilisée dans les applications industrielles ou la variation de la vitesse, une haute précision de régulation et hautes performance en couple sont requises cette omniprésence de la machine asynchrone est due à l’évolution technologique des convertisseurs statique de puissance capables de délivrer des fréquences réglables. Dans le cadre de cet intérêt vient le choix de notre sujet développé dans ce mémoire de la manière suivante : Le premier chapitre est consacré au fonctionnement et la construction de la machine asynchrone. Le deuxième chapitre, nous présentons la modélisation de la machine asynchrone. Le troisième chapitre traite de façon détaillée les différentes techniques de commande de l’onduleur deux niveaux. Le dernier chapitre et consacré à l’association onduleur machine.

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

I.1. Introduction : La machine asynchrone connue également sous le terme `anglo-saxon `de la machine à induction, est une machine à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n’est pas forcement proportionnelle à la fréquence des courants qui la traversent La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu’à l’avènement de l’électronique de puissance. On les retrouve aujourd’hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, train, propulsion des navires), de l’industrie (machine-outil), dans l’électroménager. Elles étaient à l’origine uniquement utilisées en moteur mais, toujours grâce à l’électronique de puissance, sont de plus en plus souvent utilisées en génératrice. C’est par exemple le cas dans les éoliennes. Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage. Pour les applications de puissance, au-delà de quelques kilowatts, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes des courants triphasés.

I.2. Principe de fonctionnement de la machine asynchrone : Les courants statorique créent un champ magnétique tournant dans le stator. La fréquence de rotation de ce champ est imposée par la fréquence des courants statorique, 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 qui 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.

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

La machine est dite asynchrone car elle est dans l'impossibilité, sans la présence d'un en traînement extérieur, d'atteindre la même vitesse que le champ statorique. En effet, dans ce cas, vu dans le référentiel du rotor, il n'y aurait pas de variation de champ magnétique ; les courants s'annuleraient, de même que le couple qu'ils produisent, et la machine ne serait plus entraînée. La différence de vitesse entre le rotor et le champ statorique est appelée vitesse de glissement.

I.3. Glissement d’une machine asynchrone : Le glissement est une grandeur qui rend compte de l'écart de vitesse de rotation d'une machine asynchrone par rapport à une machine synchrone hypothétique construite avec le même stator. Le glissement est toujours faible, de l'ordre de quelques pourcents : de 2 % pour les machines les plus grosses à 6 ou 7 % pour les petites machines triphasées, il peut atteindre 10 % pour les petites machines monophasées. Les pertes par effet Joule dans le rotor étant proportionnelles au glissement, une machine de qualité se doit de fonctionner avec un faible glissement. g=

ns  n ns

g : Le glissement du moteur asynchrone en pourcentage [sans unités] 

ns : La fréquence de rotation du champ B en tours par seconde [tr.s-1] n : La fréquence de rotation du rotor en tours par seconde [tr.s-1]

I.4. Constitution de la machine asynchrone : La machine asynchrone est la machine la plus utilisée du faite qu’elle nécessite peu d’entretien, moins coûteuse, et se présente avec une construction assez simple, elle est aussi très connue par sa standardisation et sa robustesse. Sur la fig. (I.1) on représente les différentes parties de la machine asynchrone

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

Fig. (I.1) : constitution du moteur asynchrone.

Le moteur asynchrone est constitués par : a) Le Stator : Le stator d’un moteur asynchrone est identique à celle d’un moteur synchrone (MS), 3 enroulements couplés en étoile ou en triangle et décalés entre eux de 2π/3 qui sont alimentés par un système de tension équilibrées. Le stator d’un moteur triphasé (le plus courant en moyenne et grosse puissance), comme son nom l’indique, est la partie statique du moteur asynchrone. Il se compose principalement :     

De la carcasse, Des paliers, Des flasques de palier, Du ventilateur refroidissant le moteur, Le capot protégeant le ventilateur.

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

Fig. (I.2) : stator.

L’intérieur du stator comprend essentiellement :  Un noyau en fer feuilleté de manière à canaliser le flux magnétique,  Les enroulements (ou bobinage en cuivre) des trois phases logés dans les encoches du noyau. Dans un moteur triphasé les enroulements sont au nombre minimum de trois décalés l’un de l’autre de 120° comme le montre le schéma ci-dessous.

Fig. (I.3) : Influence du nombre de paires de pôles sur la vitesse de rotation et de la forme du champ statorique résultant.

Lorsque les enroulements du stator sont parcourus par un courant triphasé. Ceux-ci produisent un champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme. La vitesse de synchronisme est en fonction de la fréquence du réseau d’alimentation (50 Hz en Europe) et du nombre de paires de pôles. Vu que la fréquence est fixe. La ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

vitesse de rotation du champ tournant du moteur ne peut varier qu’en fonction du nombre de paires de pôles. Paires de pôles Nombre de pôles N0 [tr/min]

1 2

2 4

3 6

4 8

6 12

3000

1500

1000

750

500

Tableau(I.1) : nombre de paires de pôles.

b) Le rotor : Le rotor du moteur supporte un bobinage semblable à celle du stator du MS, bobinage triphasé décalés de 2π/3 à même nombre de pôles que celle du stator MS. Ces 3 bobinages sont couplés en étoile et court-circuités sur eux-mêmes. Ce type de rotor est dit bobiné mais on peut envisager un rotor plus sommaire constitué de barres conductrices court-circuitées par un anneau conducteur à chaque extrémité. Le rotor est la partie mobile du moteur asynchrone. Couplé mécaniquement à un treuil d’ascenseur par exemple, il va créer un couple moteur capable de fournir un travail de montée et de descente de la cabine d’ascenseur. Il se compose essentiellement :  D’un empilage de disques minces isolés entre eux et clavetés sur l’arbre du rotor afin de canaliser et de faciliter le passage du flux magnétique.  D’une cage d’écureuil en aluminium coulé dont les barreaux sont de forme trapézoïdale pour les moteurs asynchrones standards et fermés latéralement par deux "flasques" conductrices.

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

Fig. (I.4) : rotor.

I.4.1. Les différentes configurations des machines asynchrones : a)

Stator :

Le stator des moteurs asynchrones triphasés est le même que celui du moteur synchrone ou de l’alternateur, c’est lui qui crée le champ tournant. Il consiste à un bâti d’acier, contenant un empilage de tôles rainurées pour recevoir les enroulements qui sont divisés en trois bobines séparées, de manière à produire chacune des phases du système triphasé. b)

Rotor :

Dans la réalité le rotor est constitué de tôles empilées de façon à former un cylindre comportant des encoches où sont logés des conducteurs en aluminium coulé ou en cuivre dont les extrémités sont court-circuitées par des couronnes de même nature formant ainsi une "cage d’écureuil" comme le montre dans Fig.(I.5). Le rotor peut recevoir également trois enroulements identiques constitués de conducteurs en cuivre reliés à des bagues servant à les court-circuiter. On à faire dans ce cas à un "rotor bobiné". b).1. Moteur asynchrone à cage d’écureuil : (rotor en court-circuit) C’est le plus fréquent. Ce type de rotor a été inventé au début des années 1890. Ces rotors sont constitués de tôles ferromagnétiques et de barres conductrices régulièrement réparties à la périphérie du rotor. Les barres sont reliées entre elles par des anneaux de court-circuit. Les tôles ferromagnétiques servent à guider les ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

lignes de champ tandis que les barres accueillent les courants d’induits. Pour les machines de faible puissance, les rotors sont réalisés à partir d’un empilement de tôles découpées et isolées les unes des autres (feuilletage) dans lesquelles on injecte un matériau conducteur de manière à constituer les barres ainsi que les anneaux de court-circuit. Pour les machines de forte puissance, les barres sont insérés dans le rotor puis les anneaux de court-circuit sont soudés ou brasés aux barres. Le matériau constituant les barres et les anneaux de court-circuit est généralement un alliage à base d’aluminium, maison peut aussi rencontrer du cuivre ou du laiton. En général, les barres sont légèrement inclinées suivant l’axe du rotor afin que le nombre de barres présentes sous une phase statorique soit constant quelle que soit la position du rotor. Ce procédé permet de diminuer la variation de la réluctance du circuit magnétique au cours de la relation du rotor (Ou « effet d’encoches ») et de diminuer ainsi les oscillations de couple. C’est cette inclinaison des encoches qui donne à l’ensemble barres plus anneaux de courtcircuit la forme d’une cage d’écureuil déformée. Les moteurs à cage d’écureuil sont de loin les plus utilisés : ils représentent de 80 à 85 % en milieu industriel.

Fig. (I.5) : Structure d’un Rotor en cage d’écureuil.

b).2. Moteur asynchrone à rotor bobiné : (rotor à bague) Le moteur à rotor bobiné possède un bobinage triphasé relié en étoile et branché à trois résistances externes à l’aide des bagues collectrices. Ce type de moteur s’avère plus coûteux que le moteur à cage d’écureuil. ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

Cependant, il présente les avantages suivants : - Le couple de démarrage est plus élevé, - Il est possible de régler la vitesse du moteur à l’aide de résistances extérieures (rhéostats), - Le courant de démarrage est plus faible lorsqu’on ajoute un rhéostat. Avec l’apparition de contrôleurs électroniques de plus en plus performants, l’utilisation des moteurs à rotor bobiné tend toutefois à diminuer dans les applications à vitesse variable au profit de moteurs à cage d’écureuil associés à des Variateurs de vitesse à contrôle vectoriel de flux permettant des variations de0 à 2fois la vitesse de rotation nominale du moteur. Les bagues permettent d’avoir une liaison électrique avec les bobines du rotor. Ce type de rotor a été conçu pour Permettre la variation de résistance du rotor en insérant des résistances en série Avec les bobines afin de réaliser un démarrage rotorique. Ce dispositif a ensuite permis la variation de vitesse avec un rendement acceptable au moyen d’un procédé appelé cascade hypo synchrone. Le coût élevé et l’apparition des variateurs de fréquence a rendu obsolète ce type de machine. Le rotor bobiné, illustré à la Fig. (I.6) ci-dessous, possède des enroulements reliés à trois bagues collectrices, elles-mêmes montées sur l’arbre du moteur.

Fig. (I.6): structure d’un rotor bobiné.

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b).3. A double cage : Le rotor est construit suivant le principe du rotor à cage simple, mais avec deux cages électriquement indépendantes. Une cage externe à la périphérie du rotor est composée de matériaux résistifs (laiton, bronze) et possède une faible dispersion magnétique. Une cage interne en cuivre possède une résistivité plus faible et une dispersion magnétique importante.

b).4. A double encoches ou à encoches profondes : Ce sont des rotors à cage qui utilisent l’effet de peau dans les conducteurs afin de faire varier la résistance du rotor en fonction de la vitesse de fonctionnement de la machine. L’effet de peau est un phénomène électromagnétique qui fait que plus la fréquence des courants augmentent, plus le courant à tendance à ne circuler qu’en surface des conducteurs.

I.4.2. Avantages et inconvénients de la machine asynchrone : Les avantages et les inconvénients de la machine asynchrone sont assez nombreux mais les principaux sont résumés dans le tableau suivant :

   

Avantages Structure simple. Robuste et facile à construire. Coût réduit. Absence d’un système bagues balais.

Inconvénients  Non découplage naturel.  Non linéarités.

Tableau(I.2) : Avantages et inconvénients de la machine asynchrone

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I.5. La variation de la vitesse dans les MAS : I.5.1. Quadrants de fonctionnements : Les machines synchrone, asynchrone et à courant continu sont naturellement réversibles. Pour bénéficier de cette propriété, il faut que le convertisseur et la source soient également réversibles. Si la source ne l’est pas on ne peut pas récupérer l’énergie lors d’une phase de freinage de la machine mais on peut La dissiper dans des rhéostats (réversibilité dissipatrice). Le choix d’une structure convertisseur/machine 1, 2 ou 4 quadrants repose exclusivement sur le cahier des charges. • Quadrant I seul : la machine ne tourne que dans un seul sens de rotation, le couple est positif ou nul (accélérations contrôlées et décélération non contrôlées) • 2 Quadrants (I et II) : la machine ne tourne que dans un seul sens de rotation, le couple est positif ou négatif (accélérations et décélération contrôlées) • 2 Quadrants (I et IV) : la machine tourne dans les deux sens de rotation (pour le sens inverse la charge est nécessairement entraînante), le couple est toujours positif (accélérations contrôlées et décélération non contrôlées) • 4 Quadrants (I à IV) : la machine tourne dans les deux sens de rotation quelque soit la charge entraînée le couple est positif ou négatif (accélérations et décélération contrôlée.

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

 

Frein avec vitesse positive 

Moteur avec vitesse positive

F

Moteur avec vitesse négative  F

F

Frein avec vitesse négative  F

 

Fig. (I.7) : Quadrants de fonctionnement.

Ceci donnant une variation non continue de la vitesse ce mode n’est donc pas envisagé pour un réglage fin du point de fonctionnement désiré.

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I.5.2. Réglage par variation de tension : Le couple électromagnétique de la machine asynchrone est proportionnel au carré de la tension d’alimentation statorique. Il est donc possible d’envisager un ajustement de la vitesse au-dessous de la vitesse nominale en modifiant la tension d’alimentation statorique avec un Gradateur triphasé. Cette solution est le plus souvent utilisée pour le démarrage de charges à caractéristique de couple quadratique (Cr = k.Ω2).

I.5.3. Réglage par action sur le glissement : L’utilisation de résistances rotorique permet un réglage de la vitesse au-dessous de la vitesse nominale mais avec un rendement déplorable. On essaiera donc de récupérer cette énergie transmise au rotor : c’est la cascade hypo synchrone réservée à la très forte puissance pour des machines à rotor bobiné.

I.5.4. Réglage par variation de la vitesse : La fréquence de rotation de la machine étant au glissement près proportionnel à la fréquence d’alimentation des enroulements statorique, on essaiera de créer pour ces enroulements un réseau à fréquence variable ce sont les Onduleurs de tension. On peut aussi chercher à injecter des courants dans les enroulements pour imposer le couple de la machine ce sont les Onduleurs de courant ou commutateurs de courant. On peut également convertir directement la fréquence du réseau industriel en une fréquence variable plus faible (de 0 à 1/3 de la fréquence réseau) à l’aide d’un cyclo convertisseur à commutation naturelle piloté lui aussi en fréquence en courant ou vectoriellement.

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

I.6. Démarrage de la machine asynchrone : I.6.1. Démarrage direct moteur 1sens de rotation : Un moteur asynchrone triphasé alimenté directement sur le réseau. Le moteur est commandé par un bouton marche et un bouton d’arrêt, l’arrêt est prioritaire. La constitué principalement d’un sectionneur, d’un contacteur et d’un relai thermique.

I.6.2. Démarrage direct moteur 2 sens de rotation : Un moteur asynchrone alimente directement sur le réseau. Le moteur est commandé par un bouton marche avant, un bouton marche arrière et un bouton d’arrêt, l’arrêt est prioritaire. Le constitué principalement d’un sectionneur, de deux contacteurs équipés d’inter verrouillage et d’un relai thermique.

I.6.3. Démarrage moteur étoile/triangle : Un moteur asynchrone triphasé alimente d’une puissance importante nécessite ce type de démarrage, qui permet de limiter le courant d’appel au démarrage. Le moteur est commandé par un bouton marche et un bouton d’arrêt, l’arrêt est prioritaire.  Avantage : - Réduction du courant de démarrage. - Relativement bon marché.  Inconvénient : - Couple très réduit. - Coupure d’alimentation lors du passage étoile-triangle. - Temps de démarrage + élevé.

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

I.6.4. Démarrage par résistance rotorique : Ce procédé est utilisé pour les moteurs à rotor bobiné avec sortie de l’enroulement rotorique sur trois bagues. On limite le courant au stator en augmentant la résistance du rotor. Des résistances montées en série dans le circuit du rotor sont éliminés au fur et à mesure que la vitesse augmente.  Avantage :

- Un bon couple de démarrage avec un appel de courant réduit.  Inconvénient : - Moteur onéreux et moins robuste.

I.6.5. Démarrage par résistance statorique : L’alimentation à tension réduite est obtenue dans un premier temps par la mise en série d’une résistance dans le circuit ; cette résistance est ensuite court-circuitée. Le courant de démarrage est réduit proportionnellement à la tension. Le couple de démarrage est réduit proportionnellement au carré de la tension. Peu utilisé (pour les machines à fort couple de démarrage).  Avantage : - Possibilité de choisir le couple de démarrage. - Choix du courant de démarrage avec précision. - Passage entre phases de démarrage sans interruption du courant.  Inconvénient : - Si le courant est divisé par 3 alors le couple est divisé par 9 !

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I.6.6.Démarrage électronique : Le démarrage se fait progressivement, ce qui évite la pointe de courant en démarrage direct. La tension évolue de 0 à Un selon une rampe programmable. Le démarrage se fait à courant constant les rapports T/Tn= (U/Un) 2= I/In sont vérifiés.  Avantage : - Démarrage en douceur. - Limitation du courant.  Inconvénient : - Prix plus élevé.

I.7. Freinage des moteurs asynchrones : I.7.1. Freinage à contre-courant : Il s’agit dans notre cas d’exploiter le principe même de la rotation du rotor pour le freiner. Nous savons que notre moteur se met en rotation parce que le stator génère un CTS et que en combinaisons avec le CTR, il y accrochage du rotor et mise en rotation de ce dernier. Nous savons encore que le rotor ce mettra en rotation dans le même sens que le CTS. Pour parvenir à cela, nous inverserons deux phases du stator. Cette inversion devra être de courte durée, car les efforts au droit du rotor seront très importants. On ne doit pas non plus voir le rotor se mettre en rotation en sens inverse. On peut encore comprendre que cette manœuvre va entraîner de brusque variation du couple et de courant statorique. Pour limiter celle-ci, nous inséreront lors de la permutation des phases de la résistance en série avec les enroulements statorique. Il est encore préciser que la tension du rotor est presque le double de celle de l’arrêt, une précaution particulière sera prise pour les isolations des bobinages. Ce système est surtout utilisé pour les moteurs bobinés.

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ETUDE ET FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE CHAPITRE I ASYNCHRONE  

I.7.2. Freinage par injection du courant continu : Ce système est surtout utilisé pour les moteurs à cage. Il s’agit dans ce cas non pas de supprimer le CTS ou de l’inverser, mais tout simplement de le figer. En effet, dans ce cas nous allons créer un frein magnétique. Le CTR va se trouver en rotation dans un champ fixe qu’il va devoir franchir. On comprend aisément l’effet de freinage que va encaisser ce CTR lui-même à présent en fonction de la vitesse du rotor. Dans ce cas, le CTR est directement en fonction de la rotation du rotor puisque c’est ce dernier qui crée la variation du flux pour les conducteurs. La vitesse du CTR sera donc identique à la vitesse du rotor et diminuera avec celle-ci. Ce système ne sera toutefois plus efficace à faible vitesse puisque le CTR deviendra trop faible.

I.7.3. Freinage par fonctionnement en hyper synchrone : Dans ce cas de figure, on fait tourner la machine en génératrice à une vitesse en un rien supérieure à la vitesse de synchronisme. Dans ce cas, le glissement est négatif et il absorbe de l’énergie mécanique. Cette méthode est particulièrement efficace pour freiner rapidement une machine asynchrone sans dispositif mécanique additionnel.

I.7.4. Freinage par fonctionnement en génératrice asynchrone : Un moteur asynchrone entraîné à une vitesse supérieure au synchronisme peut débiter de la puissance active sur un réseau, mais continuera toujours à absorber de la puissance réactive car n’oublions pas que la fréquence au rotor est dans ce cas élevée. Donc le déphasage du courant rotorique est très élevé ce qui oblige la machine à consommer de la puissance réactive. Cela est dût au déphasage du courant rotorique qui influence le déphasage du courant statorique.

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LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE

CHAPITRE II

 

II.1. Introduction : Le système d'entraînement de la machine asynchrone intègre l'alimentation. Le convertisseur statique, la machine et la commande indispensable au fonctionnement de l'ensemble. De ce fait, une modélisation de la machine asynchrone, destinée aussi bien à l'étude de son comportement qu'à la mise en place des fonctionnements de la commande, est nécessaire pour le bon déroulement du processus d'entraînement. L'objectif de ce chapitre est de présenter mathématiquement, une modélisation de la machine asynchrone sous forme de différents modèles d'état selon le choix de repère, le vecteur d'état et les entrées-sorties possibles du moteur. Généralement, ces modèles sont définis dans un référentiel diphasé, soit tournant (d, q), soit fixe au stator (a, b). Ces référentiels sont définis à partir du référentiel triphasé naturel de la machine asynchrone à l'aide de transformations mathématiques adaptées. [1]

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LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE  

CHAPITRE II

Axe de(a) stator 

Axe de (a) de rotor 

(as)  Rotor

(cr)

(ar)  (bs)  (br)

(cs) 

Fig. (II.1) : Représentation schématique d’une machine asynchrone triphasée.

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Page 20

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE

CHAPITRE II

 

II.2. Hypothèses simplificatrices : Elle s’appuie sur un certain nombre d’hypothèses : - entrefer constant. - le courant homopolaire ne peut circuler (pas de neutre utilisé). - parfaite symétrie de construction. - circuit magnétique non saturé et à perméabilité constant. - Pertes ferromagnétiques négligées.

II.3. Mise en équation du modèle de la machine: Le comportement de la machine est entièrement défini par trois types d’équations à savoir : - les équations électriques - les équations magnétiques - les équations mécaniques Afin de bien mener la modélisation de la machine, il faut adopter les simplificatrices suivant : - entrefer constant - effet des encoches néglige - pertes ferromagnétique non saturé et a perméabilité constante - pertes ferromagnétiques négligeables - l’influence de l’effet de peau et de l’échauffement sur les caractéristiques n’est pas prise en compte. [1] Dans le cadre de ces hypothèses et pour une machine équilibrée et couplée en étoile, les équations de la machine s’écrivent sous la forme matricielle suivante :

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Page 21

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE

CHAPITRE II

 

II.3.1. Equation électrique : La loi de faraday permet d’écrire : V = Ri + dφ /dt Pour les trois phases statorique on résume cette écriture par l’écriture matricielle condensée :

- Pour le stator :

0

0 0

0 0 .

0

- Pour le rotor :

0 0

0 0

0 0 .

0 0 0

Le rotor étant en court-circuit, ses tensions sont nulles.

II.3.2. Equation magnétique : Chaque flux comporte une interaction avec les courant de toutes les phases y compris la sienne (notion de flux / inductance propre). Exemple de la phase a statorique :

φsa = Lsisa+ Ms (isb + isc) + M1 . iar+ M3 .irb+ M2 .irc

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LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE

CHAPITRE II

 

En matriciel :

2 1 3

1 3 2

1 2 3 2 1 3 3 2 1 3 2 1

Cette matrice des inductances fait apparaitre quatre sous matrice :

=

.

Avec : Ou : Ls : est l’inductance propre d’une phase statorique. Lr : est l’inductance propre d’une phase rotorique. Ms : est l’inductance mutuelle entre deux phases statorique. Mr : est l’inductance mutuelle entre deux phases rotoriques. Msr : est le maximum de l’’inductance mutuelleentre deux phases rotoriques st une phase statorique. Avec :

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Page 23

CHAPITRE II

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE  

cos cos cos

cos 2 3 2 3

2 3

cos cos

2 3 2 3

cos cos

2 3

cos

M1 = Msr Cos (θ) M2 = MsrCos (θ - 2π /3) M3 = MsrCos (θ + 2π /3) Msr]: matrices des inductances mutuelles du couplage stator – rotor. θ: angle électrique définit la position relative instantanée entre les axes rotoriqueet les statorique que sont choisi comme axes de références. On obtient finalement :

.

/

.

.

.

/

.

.

II.3.3. Equation mécanique : L’expression de l’équation mécanique est : Ce – Cr = J d / dt Ω + f Ω Le couple électromagnétique est donné par :



ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017

.

Page 24

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE

CHAPITRE II

 

Avec : J : moment d’inertie du rotor. F : coefficient de frottement visqueux. Ce : couple électromagnétique. Cr : couple résistant. P : nombre de pair de pole.

II.4. Transformation de Park : La transformation de Park est constituée d’une transformation triphasée-biphasé suivie d’une rotation. Elle permet de passe du repère fixe (abc) vers le repère mobile (d q). [1]

   

Fig. (II.2) : représentation angulaire des systèmes d’axes dans l’espace électrique.

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Page 25

CHAPITRE II

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE  

Les repères de la transformation de Park des grandeurs statorique et celle des grandeurs rotorique doivent coïncider pour simplifier ces équations. Ceci se fait en liant les θs et θr angles par la relation : θs = θ + θr

Alors dans ce cas la transformation de Park normalisée est obtenue à l’aide de la matrice de passage :

0

cos

2 3 sin

0

cos sin

1/2

1/2

2 3 2 3

Cette matrice est orthogonale, c’est-à-dire

0

cos sin 1/2

2 3 2 3



La transformation de Park peut être appliquée sur les tensions, les courants et les flux. Le changement de variable relatif aux courants, tension et flux est défini par la Transformation :

0



Avec x : tension, courant ou flux, et les indices suivantes représentent : ”0” : indice de l’axe homopolaire. ”d” : indice de l’axe direct. ”q” : indice de l’axe quadrature.

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Page 26

CHAPITRE II

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE  

La matrice inverse de transformation de Park normalisée a pour expression :

cos

2 3 2 3

cos cos

0



.

sin

0

2 3 2 3

sin sin

1 1 1

0

0

On démontre que :

0 1 0

1 0 0 0 0 0

On obtient finalement le système des équations de Park. Qui constitue ainsi un modèle électrique dynamique pour l’enroulement biphasé équivalent : Vd = Rid + dφd /dt – (dθ /dt) φq Vq = Riq + dφq /dt – (dθ /dt) φd V0 = Ri0 + dφ0 /dt Pour la réduction de la matrice des inductances les transformations proposées établissent les relations entre les flux d’axe d, q, 0. Et les flux d’axe a, b, c :

0



0



Après le calcul, on trouve :

0 0

0 0 3/2 0 0

0 0 0 3/2 0

0 0 2 0 0 0

3/2 0 0 0 0

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0 3/2 0 0 0

0 0 0 0 0 2

0 0 Page 27

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE

CHAPITRE II

 

Ls = is– Ms : inductance cyclique statorique. Lr = ir – Mr : inductance cyclique rotorique. M = 3/2 Msr : inductance mutuelle cyclique entre stator et rotor. Le mode habituel d’alimentation de stator et la structure des enroulements rotorique conférant la nullité aux sommes des courants statorique et de courant rotorique, les composantes d’indice (0) sont nuls. Dans ces conditions de fonctionnement en mode non dégradé, les flux d’axe d et q sont simplement définis par les trois paramètres constants Ls, Lr, M. est aux courant par la relation :

0 0 0 0 0 0 0 0

II.4.1. Equation électrique : Les équations des Park des tensions, statorique et rotorique s’écrivent : Vds = Rsids + dφds/dt – (dѲ s /dt) φqs  Vqs = Rsiqs + dφqs/dt – (dѲs /dt) φds  Vdr = Rridr + dφdr/dt – (dѲr /dt) φqr= 0  Vqr = Rriqr + dφqr/dt – (dѲr /dt) φdr= 0 

Dans le repère de Park (d, q) tournant à la vitesse angulaire ω s = dθs /dt l’équation suivant : Machine asynchrone a cage Vds = Rsids + dφds/dt – ωsφqs Vqs = Rsiqs + dφqs/dt – ωsφqs Rridr + dφdr/dt – (ωs ‐ ω) φqr= 0  Rriqr + dφqr/dt – (ωs ‐ ω) φdr= 0 

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Page 28

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE

CHAPITRE II

 

II.4.2. Equation mécanique : L’équation du couple et celle du mouvement s’écrivent : Ce= P M [ iqsidr – idsiqr ] Avec : Jdω /P dt = Ce – Cr – (f/P) ω

II.4.3. Choix du repère (d, q) : Jusqu’à présent, nous avons exprimé les équations et les grandeurs de la machine dans un repère (d, q) qui fait un angle électrique θs avec le stator et que fait également un angle électrique θr avec le rotor mais qui n’est défini par ailleurs, c’est-à-dire qu’il est libre. [1] Il existe trois choix important. On peut fixer le repère (d, q) au stator, au rotor ou au champ tournant. Rappelons les angles des transformations de Park θs et θr afin d’effectuer les rotations.

II.4.4. Référentiel fixe par rapport au stator : Il se traduit par les conditions : θs = 0 dθs/t = 0 ωs = 0

; ;

θr= -0  dθr /dt = - dθ/dt

;

ωr = - ω

Les équations électriques prennent la forme :

Vds = Rsids + dφds/dt Vqs = Rsiqs + dφqs/dt Rridr + dφdr/dt + ωφqr= 0 Rriqr + dφqr/dt – ωφdr= 0

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Page 29

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE

CHAPITRE II

 

Ce référentiel sera choisi de préférence en vue d’étudier des variations importantes de la vitesse de rotation, associées ou non avec des variations de la fréquence d’alimentation.

II.4.5. Référentiel fixe par rapport au rotor : Ce référentiel est choisi de préférence en vue d’étudier des variations des grandeurs statorique. Il se traduit par les conditions : θs = 0

;

θr = -0

dθr /dt = 0

;

dθs /dt = - dθ/dt

ωr = 0

;

ωs = ω

Les équations électriques prennent la forme :

Vds = Rsids + dφds/dt – ωsφqs Vqs = Rsiqs + dφqs/dt +ωsφqs Rridr + dφdr/dt = 0 Rriqr + dφqr/dt = 0 Ce référentiel peut être intéressant dans les problèmes de régimes transitoires ou la vitesse de rotation est considérée comme constante (exemple : l’étude des contraintes résultant d’un court-circuit).

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Page 30

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE

CHAPITRE II

 

II.4.6. Référentiel fixe par rapport au champ tournant : Ce référentiel est le seul qui n’introduise pas de simplification dans la formulation des équations. Il fait correspondre des grandeurs continues aux grandeurs sinusoïdales en régime permanent ; raison pour laquelle ce référentiel est utilisé en commande. Il se traduit par les conditions : dθs/ dt = ωs dθr/ dt = ωs – ω = ωr On choisit ce référentiel lorsqu’on vent étudier les problèmes ou la fréquence d’alimentation est constante. Ainsi ce référentiel est le seul qui n’introduise pas de simplification dans la formulation. Les équations dont la formulation soit affétée par le choix au référentiel sont les équations : Cm – Ce = (J/p) (dωr/dt) g = (ω – ωr) / ω Le référentiel choisi de notre étude est le référentiel statorique et le modèle mathématique de la machine obtenu suite à cettemodélisation est le suivant : * dφds/dt = - Rsids + Vds * dφqs/dt = - Rsiqs + Vqs * dids/dt = Vds (Lr/(LrLr – Lm2)) + (Lr/(LrLr – Lm2)) φqs.ωφds(Rr/(LrLs – Lm2))ids+ωids – ((LrRr + LsRs)/(LrLr – Lm2)) * diqs/dt = ω (Lr/(LsLr – Lm2)) . φds(Rr/(LrLs – Lm2)) φqs+ (Lr/(LsLr – Lm2))Vqsiqs – ((LrRs + LsRr)/(LsLr – Lm2)) . ids - ω * dω/dt = - (P/J) φdsids + (P/J) φqs – (Cr/J) – (kf/J) Ces équations vont nous permettre d’étudier le comportement dynamique de la machine asynchrone à vide et en charge alimentée directement pleine tension ou à tension délivrée par notre onduleur.la Machine alimente pleine tension délivre les tensions suivantes et cela pour deux essais à vide et en charge.

ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017

Page 31

CHAPITRE II

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE 1.5

1.5

1

1

phiqs(wb)

phids(wb)

 

0.5 0

0.5 0

-0.5 -1

-0.5 0

0.5

1 t(s)

1.5

-1

2

30

0.5

1 t(s)

1.5

2

0

0.5

1 t(s)

1.5

2

0

0.5

1 t(s)

1.5

2

1.78

1.8 t(s)

20

iqs(A)

20 ids(A)

0

10

10 0

0 -10

-10 0

0.5

1 t(s)

1.5

-20

2

200

30

150

20

Ce(Nm)

w(rd/s)

-20

100 50 0

10 0

0

0.5

1 t(s)

1.5

-10

2

30 2 ias(A)

ias(A)

20 10

0

0 -2

-10 -20

0

0.5

1 t(s)

1.5

2

1.82

Fig. (II.3) : Caractéristiques de sortie de la machine à pleine tension à vide.

ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017

Page 32

CHAPITRE II

LA MODELISATION DE LA MACHINE ASYNCHRONE 1.5

1.5

1

1

phiqs(wb)

phids(wb)

 

0.5 0 -0.5 -1

0 -0.5

0

0.5

1 t(s)

1.5

-1

2

30

0

0.5

1 t(s)

1.5

2

0

0.5

1 t(s)

1.5

2

20

iqs(A)

20 ids(A)

0.5

10

10 0

0 -10

-10 -20

0

0.5

1 t(s)

1.5

-20

2

  200

30 Ce(Nm)

w(rd/s)

150 100 50

10 0

0 -50

20

0

0.5

1 t(s)

1.5

-10

2

0

0.5

1 t(s)

1.5

1 t(s)

1.02

2

30 4 ias(A)

ias(A)

20 10

2 0

0

-2

-10

-4

-20

-6 0

0.5

1 t(s)

1.5

2

0.98

 

Fig. (II.4) : Caractéristiques de sortie de la machine à pleine tension en charge.

ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017

Page 33

ETUDE DE L'ONDULEUR DE TENSION TRIPHASE

CHAPITRE III

 

III.1. Introduction : Les onduleurs sont des convertisseurs statique assurant la conversion continu-alternatif. Par une séquence adéquate de commande des semi-conducteurs de puissance (interrupteurs électroniques), il est possible à la sortie d’un convertisseur statique une tension alternative (ou courant alternatif) de valeur moyenne nulle ; la tension peut comporter une ou plusieurs créneaux par alternance.[2] Ce sont des onduleurs autonomes puisque l’établissement, le maintien et l’ouverture des connexions entre l’entrée et la sortie ne dépendent que de la commande des semiconducteurs, comme il impose sa propre fréquence à la forme d’onde de la tension alternative fournie au récepteur. Il est tributaire des caractéristiques de la source (générateur) et de la charge (récepteur) entre les quelles il est inséré. Contrairement à l’onduleur non autonome qui est relié au réseau alternatif c’est lui qui impose la fréquence et la forme de l’onde de la tension de sortie.

III.2. Types d’onduleurs : III.2.1. Les Onduleurs de courant : Alimentés par une source de courant continu. La nature de la source continue impose celle de la charge alternative. L’évolution rapide des techniques de fabrication des dispositifs à semiconducteurs et l’orientation des concepteurs vers la technologie des composants hybrides tels que l’IGBT ont permis de développer de nouvelles structures d’onduleurs multi niveaux.[2] Ils sont mieux adaptés aux applications de grandes puissances parce qu’ils réduisent les contraintes dues aux phénomènes de commutation sollicitant les interrupteurs pour des applications de forte puissance et haute tension. La technologie de conversion de l’énergie continu-alternatif en utilisant les convertisseurs statiques est une partie de l’électronique de puissance en pleine croissance ; cela tient essentiellement à deux raisons :

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La première est l’étendue du domaine de leurs applications : Systèmes d’entrainements à vitesse variable, utilité d’interconnexion, alimentation de sécurité…etc. La seconde vient de l’amélioration des performances des semi-conducteurs de puissance et de l’apparition de nouvelles composantes (modulation de largeur d’impulsion, modulation vectorielle).   Cela permet d’adapter pour chaque application la structure de l’onduleur et la stratégie de commande qui lui conviennent le mieux l’usage limité aux applications de faibles et moyennes puissances seulement. La détérioration prématurée des roulements causée par l’application des tensions homopolaires à l’arbre du moteur.

III.2.2. les Onduleurs de tension : Contrairement à l’onduleur de courant qui lui d’onde de courant, onduleur de tension impose l’onde de tension à la machine.[2] -un onduleur ne peut que distribuer convenablement aux trois phases des moteurs, le courant qu’il reçoit sauf : -si la source continue est une source de tension, l’onduleur est appelé onduleur de tension. En fonction de leurs application ces onduleurs sont classés en trois catégories : -les onduleurs à fréquence fixe à commutation forcée. -les onduleurs à fréquence variable à commutation forcée. -les onduleurs d’entretien du circuit oscillant. Notre étude, se limitera à utiliser l’onduleur de tension à fréquence variable à commutation forcée, dont l’avantage est de pouvoir alimenter n’importe quel type de machine à courant alternatif, tout en facilitant d’inverser l’ordre de succession des phases. Sur ce, on distingue trois types d’onduleurs de tension : -onduleur à conduction 120° -onduleur à conduction 180° -onduleur à modulation de largeur d’impulsion(MLI). -commande en MLI avec injection d’harmonique - technique d’élimination d’harmonique.

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CHAPITRE III

 

III.3. Principe de fonctionnement de l’onduleur triphasé : Voici le schéma d’un onduleur de tension : Fig.(III.1). L’onduleur triphasé est constitué de trois bras comprennent chacun deux interrupteurs dont la commande differe selon la technique de commande adoptée.[4], [7]

T 1

T 3

T 5

T 2

T 4 

T 6

Fig. (III.1) : onduleur de tension à deux niveau.

Les interrupteur T1et T2 ;T3 et T4 ; T5 et T6 doivent etre complémentaires deux à deux ; quelle que soit la loi de commande adoptée ; il est possible d’établir des relations générales qu’on utiliserons tant pour la commande pleine onde que pour la commande (MLI). Il nous importe ici de voir de quelle manière les signaux de commande de l’onduleur sont élaborés pour générer une tension la plus sinusoidale possible.

III. 3.1.Onduleur de tension à commande 180°: Pour ce type d’onduleur chaque transistor conduit pendant 180° de plus pour chaque séquence de fonctionnement nous avons trois transistor qui conduisent en même temps. Les tensions composées : Uab(t) ; Ubc(t) ; Uca(t) sont Définies comme suit :

Uab(t) = Van(t) - Vbn(t). Ubc(t) = Vbn(t) –Vcn(t). Uca(t) = Vcn(t) – Van(t) ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ANNABA 2017

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Les tensions simples sont calculées à partir du schéma équivalent. On applique la loi d’ohm.

 Lorsque : 1- ) 0