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ITEEM 2 equi2 02 machine alternative

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Rappel sur l’auto-induction
3
Déplacement d’un aimant devant une bobine
•
Machine Asynchrone
(induction machine)
La loi de Faraday (et de Lenz) explique
qu’en cas de variation du flux magnétique à
l’intérieur de ce circuit,
une force contre électromotrice est induite (générée):
e=−
•
dΦ
dt
Si la bobine a une résistance R et est alimentée sous une tension v:
e est générée et additionnée à v
e
R
i
Si la bobine est linéaire
φ = Li
v
1
Déplacement d ’un aimant devant un rail en court circuit
2
Déplacement d ’un aimant devant un rail en court circuit
aimant
vitesse : v
l
i
2
Cette force entraîne le conducteur dans le sens du déplacement du champ magnétique.
B
i
f
i
Si ces conducteurs sont mobiles ces derniers accélèrent. A mesure qu’ils atteignent de
la vitesse, la vitesse à laquelle le champ magnétique est coupé par ces conducteurs
ralentit. La variation du flux diminue et la tension induite diminue, de même que le
courant i.
2
D’après la loi de Faraday, une tension est induite dans chaque conducteur coupé par
le champ magnétique.
Comme chaque conducteur est court-circuité, un courant i se met à circuler dans le
conducteur qui est momentanément en dessous du champ magnétique (ou de l’aimant).
Cet effet de la loi de Lenz (L’effet s’oppose à la cause qui lui a donné naissance) a pour
conséquence de diminuer la force de Laplace.
Ainsi si les conducteurs se déplaçaient à la même vitesse que le champ magnétique, la
tension induite, le courant i et la force s’annuleraient.
Comme ce courant traverse le champ magnétique, d’après la loi de Laplace, une force
mécanique est appliquée sur ce conducteur.
La vitesse du rotor est donc légèrement inférieure à la vitesse du champ
magnétique.
3
4
r r
r
dF = Idl Λ B
Machine asynchrone :
3 bobines fixes décalées de 120°
et 3 bobines mobiles décalées de 120°
isb
→
Osb
Tensions statoriques (notation matricielle)
 v sa   RS
  
 v sb  =  0
v   0
 sc  
sa,sb,sc :
Enroulements statoriques fixes
couplés en étoile
Alimentation variable
v sb
→
Orb
irb
→
Osc
v sc
isc
irc
v ra
v rc
θ
→
Orc
v sa
isa
→
Osa
ra,rb,rc :
Enroulements rotoriques mobiles
Court-circuités
Alimentation induite par les
enroulements statoriques
5
Flux statorique dans un enroulement statorique




Influence des autres
enroulements du stator
2π
3
4π  


 +irc cos θ +

3 


Influence des enroulements du rotor
sur les enroulements du stator
isb
 vra   RR
  
 vrb  =  0
v   0
 rc  
0
RR
0
0  ira 
φ 
  d  ra 
0  irb  +  φrb 
dt  
RR  irc 
 φrc 
 d φr 

= Vr  −  Rr   I r  

 dt
 rotor
→
Osb
v rb
O
→
Osc
6
Remarque
r r
M sr cos Osa , Ora = M sr cos (θ )
irb
v sc
dans le repère triphasé du rotor
4
2 

cos(θ − π ) cos(θ − π ) 
 cos(θ )
3
3


2
4
cos(θ − π ) 
[ R(θ )] = cos(θ − π ) cos(θ )

3
3


4
2
cos(θ − π ) cos(θ − π )

cos(θ )


3
3
→
Orb
v rc
 vra   0 
   
 vrb  =  0 
 v   0
 rc   

φsa   ls M s M s  isa 
ira  

  
 
  
[φs ] = φsb  =  M s ls M s  isb  + M sr [ R(θ ) ] irb  
  
 
 

φsc   M s M s ls   isc 
 irc  stator

v sb
irc
Si rotor en CC
Flux statorique (notation matricielle)
φsa = ls isa + M s isb + M s isc + M sr  ira cos(θ ) +irbcos θ +
isc
dans le repère triphasé du stator
Tensions rotoriques (notation matricielle)
→
Ora
ira
RS
0
0  isa 
φ 
  d  sa 
0  isb  +  φsb 
dt  
RS  isc 
 φsc 
 d φs 

= Vs  −  Rs   I s  

 dt
 stator
v rb
O
0
v ra
(
→
Ora
ira
(
θ
→
Orc
v sa
)
)
r r
2π 
4π 


M sr .cos Osa , Orb = M sr .cos θ −
 = M sr .cos θ +

3 
3 


isa
→
Osa
7
r r
4π

M sr cos Osa , Orc = M sr cos θ −
3

(
)
2π 


 = M sr cos θ +

3 


8
Hypothèse :
Les courants sont équilibrés -> isc=-isa-isb
Flux rotorique (notation matricielle)
2π 
4π  



φsa = (ls − M s )isa + M sr  ira cos(θ ) +irbcos θ +
 +irccos θ +

3 
3 




φra   Lr 0 0  ira 

  
 
T
[φr ] = φrb  =  0 Lr 0  irb  + M sr [ R(θ )]
  
 


φrc   0 0 Lr  irc 

φsa   Ls 0 0  isa 
ira  

  
 
  
[φs ] = φsb  =  0 Ls 0  isb  + M sr [ R(θ )] irb  
  
 
 

φsc   0 0 Ls   isc 
 irc  stator

avec
isa  
  
isb  
 
 isc  rotor
3
Ls = ls − M s = lsp + lsσ
2
9
10
Modélisation dans un repère tournant de Park
Régime transitoire :
Comme pour la machine synchrone, on cherche à simplifier le modèle de la
machine.
Expression générale des flux rotoriques (notation matricielle)
[ ]  =  [L ] [M (θ )]  [I ] 
[ ]  [M (θ )] [L ]  [I ] 
φ
 s
 φr

s
sr
s
dans le repère triphasé du stator
On va utiliser la transformation de Park
T
sr
r
r
Tout d’abord, il faut utiliser un seul repère pour toutes les équations
dans le repère triphasé du rotor
,
 Ls

Ls =  0
0

[ ]
0
Ls
0
0

0
Ls 
 Lr

Lr =  0
0

,
[M
sr
(θ )]
=M sr [R(θ )]
[ ]
0
Lr
0
0

0
Lr 
Problème: On a deux modèles dans deux repères tripasés dufférents
11
12
Grandeurs statoriques :
Comme pour la machine synchrone (le stator étant identique),
on applique aux grandeurs statoriques une transformation de Park
d’angle θS (t)
Transformée de Park sur les grandeurs du stator
 d φs 







=
−
V
R
I

 s   s   s 
 dt
 stator
Grandeurs rotoriques :
Pour se ramener dans ce repère de Park, on applique aux grandeurs
rotoriques une transformation de Park d’angle θR (t) = θS (t) - θ (t)
→
Orb
([ (
d P θs
→
Osb
→
Oq
)] [φ
−1
s _ dq 0
]) = [P(θ )] [V
−1
s
dt
Rotation d’un angle θs
dans le repère de Park
]− [R ][P(θ )] [I
−1
s _ dq 0
s
s
O
θs
→
Osc
→
Od
θr
→
Ora
θ
→
Osa
→
Orc
13

dφ sd
= v sd − Rs isd + ω sφ sq 
dt


dφ sq
= v sq − Rs isq − ω sφ sd 
dt


dφ s 0
= v s 0 − Rs i s 0

dt

Transformée de Park sur les grandeurs du rotor
[ ( )] [φ
[ ( )] [φ
Rotation d’un angle θr dans
le même repère de Park
−1
Pθ
s

Pθ
r

r _ dq 0
dt
→
Orb
→
Osb
→
Oq
θs
→
Osc
→
Od
θr
→
Ora
θ
→
Osa
→
Orc
14
s
sr
s
T
sr
−1
r
r
]   [L ] [M (θ )]  [P(θ )] [I
.
=
]  [M (θ )] [L ]  [P(θ )] [I
−1
s _ dq 0
−1
s
s
sr
s _ dq 0
−1
r _ dq 0
sr
r
r
r _ dq 0
] 
] 
Tous calculs faits on obtient :
Tous calculs faits on obtient :

dφrd
= v rd − Rr ird + ωrφrq 
dt

dφrq

= v rq − Rr irq − ωrφrd 
dt


dφr 0
= v r 0 − Rr i r 0

dt

O
[ ]  =  [L ] [M (θ )]  [I ] 
[ ]  [M (θ )] [L ]  [I ] 
([ ( )] [φ ]) =









→
Osb
→
Oq
Transformée de Park sur les flux
φ
 s
 φr

 d φr 

= Vr  −  Rr   I r  

 dt
 rotor
d P θr
]
→
Orb
Tous calculs faits, on obtient :









s _ dq 0
O
→
Osc
→
Orc
θs
θr
θ
→
Osa
[
[
φ
 s _ dq0
φ
 r _ dq0
→
Od
→
Ora
[L ] =
ps
15
 Ls

0
0

0
Ls
0
0 

0 
Ls 0 

[L ]
pr
]   [L ] [M ] [I
=
]  [M ] [L ] [I
 Lr

= 0
0

ps
psr
s _ dq 0
pr
r _ dq 0
T
psr
0
Lr
0
0 

0 
Lr 0 

[M psr ] = 23 M sr [Rr ]
] 
] 
[Rr ]
1

= 0
0

0
1
0
0 

0 
0  16
Machine asynchrone : calcul du couple
En résumé :
dφ Sd
− ω Sφ Sq
dt
dφ Sq
vSq = RS iSq + ω Sφ Sd +
dt
vSd = RS iSd +
φSd = LsiSd + M .iRd
φSq = LsiSq + M .iRq
On peut maintenant pour un régime quelconque, calculer le couple
instantané en faisant un bilan de puissance :
dφRd
− ωrφRq = 0
dt
dφ
= RRiRq + ωrφRd + Rq = 0
dt
vRd = RRiRd +
vRq
On obtient :
c = M (ird isq − irq isd )
φRd = LriRd + M .iSd
φRq = LriRq + M .iSq
c= p
M
(isqφrd − isd φrq )
Lr
c = p (isqφsd − isd φsq )
3
M = M sr
2
Même si ces équations paraissent lourdes, elles sont bien plus simples
que celles écrites au début de l’étude !!!
17
Machine asynchrone : commande vectorielle
Machine asynchrone : commande vectorielle
Stratégies de commande par orientation du flux
Stratégie la plus utilisée : Orientation à flux rotorique orienté sur l’axe direct
Si on aligne le repère de Park avec un des deux flux, on annule une
composante
4 idées pour simplifier l’expression du couple
y
q
Expression avec les flux rotoriques Expression avec les flux statoriques
M
(isq φrd − isd φrq )
c= p
Lr
Commande à flux rotorique orienté
sur l’axe direct φrq=0
M
c= p
Lr
(i
sq
)
φrd )
)
αS
r
v2
a
Commande à flux statorique orienté
d
i3
v1
M
(isq φrd )
Lr
θ
i1
c
c= p
αR
ΦR
1
b
c = pisqφsd
ΦRq=0, le couple devient :
i2
2
sur l’axe direct φsq=0
sur l’axe en quadrature φrd=0
M
isd φrq
c = −p
Lr
(
(
c = p isq φsd − isd φsq
18
x
On montre (et on voit) que :
c ne dépend que de iSq si
ΦR est maintenu constant
v3
sur l’axe en quadrature φsd=0
3
c = − pisd φsq
19
20
Machine asynchrone : Synoptique de commande
Machine asynchrone : commande vectorielle
En régime permanent :
y
q
i2
v2
2
On constate que (par rapport à la
machine synchrone) le flux statorique
ne peut plus être perpendiculaire au
flux rotorique.
αS
ΦSS
a
r
ΦRR
d
ΦR
1
b
αR
θ
i1
c
x
v1
i3
v3
En effet, il n’y a qu’une source
d’alimentation pour :
• Magnétiser la machine (comme le fait
l’enroulement inducteur d’une MS) par
la composante de l’axe d
• Produire du couple par la composante
de l’axe q
3
21
22
BIBLIOGRAPHIE
BILAN :
Machine synchrone + variateur :
• Commande performante plus aisée car la machine est magnétisée
par le rotor. Il ne faut contrôler que le couple
• Rapport puissance/masse élevé
• Machine au prix plus élevé (aimants ou bobinage rotorique + bagues
collectrices)
Machine asynchrone + variateur :
• Commande performante plus exigeante car il faut magnétiser et
contrôler le couple en même temps et de façon indépendante
• Rapport puissance/masse moins élevé - ventilation plus importante
• Machine au prix le plus bas du marché
• Possibilité d ’utiliser des commandes moins performantes
• Electrotechnique industrielle.
G.Séguier Editions Tech et doc
• Introduction à la commande vectorielle des
machines asynchrones.
Patrick Brunet
Il n ’y a pas de bon choix. Tout dépend de l ’application envisagée et
des performances attendues.
• Cours machines asynchrones. *
Alain Cunière. Gilles Feld.
23
24
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