Simulation de fonctionnement d’une machine asynchrone alimentée par un onduleur de puissance

Mémoire de fin d’étude en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur en génie éléctrique

Eléments constitutifs de la machine asynchrone triphasée

Cette partie est consacrée aux éléments qui constituent la machine asynchrone triphasée afin de mieux comprendre la contribution de chacun d’eux au bon fonctionnement et à la facilité d’utilisation de la machine asynchrone. A l’apparence générale, la machine asynchrone triphasée est constituée d’un carter en fonte ou en acier constituant la partie externe du stator, à l’intérieur duquel sont logés le circuit magnétique statorique et une partie rotative appelée rotor. La rotation du rotor est rendu possible par la présence de paliers qui lui servent de support tout en recouvrant l’avant et l’arrière de la machine. Un ventilateur est fixé à l’arbre de la machine au côté opposé à l’accouplement (moteur/charge) dans le but de refroidir la machine  Les pales du ventilateur sont droites pour qu’il puisse fonctionner dans les deux sens de rotation. Le carter statorique est nervuré et possède des ailettes longitudinales suivant lesquelles l’air est dirigé pour optimiser le refroidissement de la machine. Ce ventilateur est situé entre le flasque arrière et un grillage qui vient finalement couvrir l’arrière de la machine. Pour la connexion au réseau, une boite à borne est accessible sur le carter de la machine. Une plaque signalétique, contenant les informations sur la machine est aussi fixée sur le carter.

Le stator

La patrie interne du stator est constituée par un circuit magnétique doté d’encoches dans lesquels sont placés les bobinages ou enroulements statoriques. La machine asynchrone triphasée possède trois bobinages notés sA, sB, et sC parcourus par des courants de pulsation et déphasés entre eux d’un angle électrique de 2 3 ⁄ . Ces enroulements sont bobinés de manière à obtenir un enroulement triphasé à « » paires de pôle. Les enroulements sont faits de méplats de cuivre de différentes sections qui sont insérés directement dans les encoches pour les grosses machines.Ce circuit magnétique est formé par des tôles d’acier qui peuvent être découpées en une seule pièce pour les petites machines. Pour les machines de grande puissance, ces tôles sont découpées par section. Ces tôles sont ensuite recouvertes de vernis pour limiter les effets des courants de Foucault. Elles sont finalement assemblées au moyen de boulons ou de soudure pour former le circuit magnétique statorique. Un matériau isolant assure l’isolation entre les enroulements statoriques et les tôles d’acier.

Le rotor

Comme pour le stator, le circuit magnétique rotorique est constitué de tôles d’acier qui sont généralement de même provenance que les tôles du circuit magnétique statorique. Il existe deux types de rotor : le rotor bobiné appelé aussi rotor à bague et le rotor à cage d’écureuil appelé communément rotor à cage. 1.4.2.1 Le rotor bobiné Les enroulements rotoriques sont localisés dans les encoches situées à la périphérie du rotor. Ces enroulements notés rA, rB et rC sont bobinés de manière à obtenir un enroulement triphasé à « » paires de pôle identique au nombre de pair de pôles créé par les enroulements statoriques. Les bobinages rotoriques sont toujours couplés en étoile et les trois bornes accessibles sont reliées à la boite à borne sur le carter du stator à l’aide d’un système constitué de trois bagues tournantes et de trois balais fixes. Les enroulements d’un rotor bobinés peuvent être court-circuités au moyen des balais.

Le rotor à cage  est le type de rotor le plus répandu. Dans chaque encoche rotorique est placée une barre de conducteur généralement nue. Ces barres sont en cuivre pour les moteurs de forte puissance, et en alliage d’aluminium pour les machines de faible et moyenne puissance. Elles sont réunies aux faces avant et arrière du rotor par des « anneaux de court-circuit » réalisant le court-circuit. Ainsi, les enroulements rotoriques ne sont pas accessibles à partir de la boite à borne.

Les paliers sont les organes mécaniques qui supportent et permettent de mettre en rotation l’arbre du rotor. Ils sont constitués par les flasques et les roulements à billes insérés à chaud sur l’arbre. Les flasques ont étés moulées en fonte. Elles sont fixées sur le carter du stator à l’avant et à l’arrière par des boulons ou des tiges de montage.

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Mots-clés : machine asynchrone, pollution harmonique, vecteurs d’espace, pertes fer, FFT, modèle, simulation.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : Etat de l’art sur la machine asynchrone triphasée
1. Généralités
1.1. Définition
1.2. Rôle
1.3. Symboles
1.4. Eléments constitutifs de la machine asynchrone triphasée
2. Principe de fonctionnement de la machine asynchrone triphasée
2.1. Théorème d’Ampère appliqué à un circuit magnétique élémentaire
2.2. Force Magnétomotrice statorique
2.3. Mise en évidence d’un champ tournant dans l’entrefer
2.4. Mise en rotation du rotor.
2.5. Influence de la force magnétomotrice rotorique
3. Les bases sur l’utilisation du moteur asynchrone triphasé
3.1. Plaque signalétique
3.2. Le couplage
3.3. Liaison avec le réseau
3.4. Les modes de démarrage du moteur asynchrone triphasé
Chapitre II : Expressions des grandeurs électriques et électromagnétiques
1. Les vecteurs d’espace
1.1 Vecteur d’espace des courants
1.2 Vecteur d’espace des flux
1.3 Vecteur d’espace des tensions
2. Expression de la puissance électrique
2.1 Expression de la puissance instantanée
2.2 Pertes par effet Joule
3. Expressions des flux statoriques et rotoriques
3.1 Définitions des inductances de la machine asynchrone triphasée .
3.2 Expression des flux statoriques et rotoriques en fonction des courants .
4. Expression des tensions statoriques et rotoriques
4.1. Expression des tensions et flux dans un repère (d,q) tournant à une vitesse angulaire électrique par rapport au stator
4.2. Expression des tensions et des flux dans le repère (M, N)
4.3. Expression des tensions et des flux dans le repère (α, β)
4.4. Equations de Park
5. Expression du couple électromagnétique
Chapitre III : Modélisation de la machine asynchrone triphasée
1. Fonctionnement de la machine asynchrone triphasée en régime permanent
1.1. Schémas électriques équivalents
1.2. Alimentation en tension
1.3. Alimentation en courant
2. Fonctionnement de la machine asynchrone triphasée en régime transitoire
2.1. Commande en tension
2.2. Commande en courant
3. Calcul de la vitesse du moteur
4. Schémas fonctionnels
4.1. Commande en tension
4.2. Commande en courant
5. Prise en considération des pertes fer dans la modélisation de la machine asynchrone
5.1. Origines et effets des pertes fer dans les matériaux ferromagnétiques
5.2. Formulation des pertes fer dans les machines tournantes
Chapitre IV : SIMULATION DE FONCTIONNEMENT D’UNE MACHINE ASYNCHRONE ALIMENTEE PAR UN ONDULEUR DE PUISSANCE
1. Hypothèses sur les conditions de travail.
2. Analyse du signal d’alimentation de la machine
2.1. Transformée de Fourier
2.2. Transformée de Fourier Discrète ou « Discrete Fourier Transform (DFT) »
2.3. Transformée de Fourier Rapide ou « Fast Fourier Transform (FFT) »
3. Déroulement de la simulation
4. Description et paramètres de la machine utilisée pour la simulation.
5. Résultats des simulations et Interprétations
5.1. Résultats de simulation de la commande en tension
5.2. Résultats de simulation de la commande en courant
6. Synthèse
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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