ai mach.elec chp.3 machines asynchrones
TRANSCRIPT
Chapitre
MACHINES
ASYNCHRONES
Machines Électriques
Prof. Mourad ZEGRARI
3
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 2
Plan
Principe.
Constitution.
Modèle de la machine asynchrone.
Caractéristiques en régime permanent.
Démarrage et variation de la vitesse.
Génératrice Asynchrone.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 3
Analyse fonctionnelle
La machine asynchrone (MAS) est un convertisseur électromécanique réversible. Le
plus souvent, cette conversion est utilisée dans le sens Moteur.
Moteur Asynchrone : entraînements industriels, applications domestiques.
Génératrice Asynchrone : Production de l’énergie électrique (éoliennes, mini-centrale
hydrauliques). Fonctionnement en frein (récupération de l’énergie).
Machine
Asynchrone
Pertes• Cuivre (Joule)
• Fer (magnétiques)
• Mécaniques
Énergie
Électrique
Énergie
Mécanique
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 4
Applications
Les MAS représentent plus de 80% des moteurs électriques utilisés en industrie :
Grande simplicité de construction prix relativement bas.
Facilité d’utilisation et d’entretien coût de maintenance réduit.
Simplicité de démarrage. Commande aisée avec les convertisseurs de puissance.
Grande robustesse mécanique.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 5
Principe
1. Trois bobines fixes, décalées de 120° et alimentées par un système triphasé équilibré
de courants à la pulsation s. On dispose de (2p) pôles.
3. Création dans le rotor des courants
induits à la même pulsation s.
4. Ces courants induits créent au rotor une
f.m.m. Fr tournante.
2. Création d’une f.m.m. Fs
tournante à la vitesse :
ps
s
5. Production d’un couple de démarrage non nul :
Le rotor tourne à la vitesse < s.
Phase C Phase A
Phase B
Stator
Rotor
120°
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 6
Notion du glissement
Le rotor tourne à la vitesse = (/p) légèrement inférieure à s.
On définit le glissement g du moteur qui s’exprime en % :
La pulsation des courants induits r au rotor devient :
La vitesse du rotor peut s’écrire :
Fs tourne à s / stator.
Fr tourne à r / rotor Fr tourne à (r + ) = s / stator.
Les deux f.m.m. tournent à la même vitesse Création d’un couple constant.
s
s
s
sg
ssr g
s.g1
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 7
Constitution de base
Comme toute machine électrique tournante, la machine asynchrone
comporte essentiellement les éléments suivants :
Un Stator : partie fixe formée de
trois enroulements identiques.
Un Rotor : partie mobile siège
des courants induits.
Des organes mécaniques : ils
assurent des fonctions telles que
la fixation, la protection et la
ventilation.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 8
Stator
Partie fixe de la machine : elle comporte trois enroulements (bobines) et possède 2p pôles. Le bobinage des enroulements est identique à
celui de la machine synchrone.
Stator
bobiné
Plaque à bornes
Patte de fixation
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 9
Rotor
Rotor
En court-circuit
(à cage)
Massif
(magnétique)
Les courants induits
circulent dans des
barres conductrices
court-circuitées par
deux anneaux.
Bobiné
(à bagues)
Rotor réalisé par un
circuit magnétique
massif, siège des
courants induits de
Foucault.
Les courants induits
circulent dans des
enroulements
bobinés sur le rotor
couplées en Étoile.
Partie mobile de la machine : elle est constitué d’un ensemble de
conducteurs mis en court-circuit.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 10
Rotor bobiné (à bagues)
Balais
Rotor
Bobiné
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 11
Rotor à cage d’écureuil (en court-circuit)
Le rotor est constitué de barres conductrices, en cuivre ou en
aluminium, ces barres sont inclinées par rapport à l’axe de rotation.
Les extrémités de ces barres sont court-circuitées par deux anneaux de
même métal.
Barres conductrices siège
des courants induitsAnneaux de
court-circuit.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 12
Rotor massif
Le rotor est constitué par un cylindre plein non laminé.
Les parties massives en fer constituent l’enroulement en court-circuit,
par l’effet des courants de Foucault, induits dans la masse métallique.
Rotor massif Courants
induits
Rotor massif
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 13
Fonctionnement à rotor ouvert
La machine est équivalente à un transformateur triphasé :
Stator Primaire
Rotor Secondaire
s
r
s
0r0
n
n
E
Em
Impédance
du stator
RsIsjXs
jXmRcEsVs
RrjXr
m0
Ero
Impédance
du rotor
Impédance
magnétisante
(s) (ro = s)
Vro
Rapport de transformation :
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 14
Fonctionnement à rotor en court-circuit
Le rotor est en court-circuit, sa pulsation devient :
RsIsjXs
jXmRcEsVs
Rr jxr
m
Er
0
s
r mgE
Em
(s) (r)
Ir
Io
Rapport de transformation :
ssr g Avec :
s
r
s
s
s
sg
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 15
Schéma monophasé équivalent
On ramène toutes les grandeurs à la même pulsation s :
Équation des f.m.m. : F = Fs – Fr
Équation des courants : ns Iso = ns Is – nr Ir
RsIsjXs
jXmRcEsVs
Rr / gjXr
m
Ero
(s) (s)
Iso
Ir
Courant magnétisant
non négligeable
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 16
Bilan des puissances
Puissance
Transmise
Pertes Joules
au stator
Pertes Fer
au stator
Puissance
Électrique
Ptr = Tem.s
Pe = 3 VsIs cos
Pertes Fer
au rotor
Pertes Joules
au rotor
pjs pfs
pmécPuissance
Mécanique
Pem = Tem.
Puissance
Électromagnétique
Pertes
MécaniquesPm = Tu.
0pfr
2
rr
tr 'Ig
'R3P
tr
2
rrjr Pg'I'R3p
Jrtrem pg
g1g1PP
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 17
Calcul du couple électromagnétique
La puissance électromagnétique développée par la machine s’écrit :
Le couple électromagnétique s’écrit alors :
.TP emem
2
rrjrtrem 'I'R3g
g1p
g
g1g1PP
g1p
g1 ss
2
rr
s
emem 'I
g
'Rp3PT
Avec :
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 18
Expression du courant rotorique
Le schéma simplifié en L permet de calculer directement le courant rotorique ramené au
primaire I’r :
La valeur efficace du courant I’r est :
s sr 2 2
2 2r rs s r s T
V VI'
R' R'R X X' R X
g g
RsIsjXs
jXmRcVs
R’r / gjX’r
Iso
I’r
XT = Xs + X’r : réactance
de fuite totale.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 19
Caractéristique mécanique Tem()
Exprimons le couple Tem en fonction de la vitesse de rotation :
Caractéristique mécanique :
Démarrage : = 0 g = 1 Tem = Td
La machine absorbe Ped = Td s
Pour voisin de s, g est faible :
Tem = K. où : K < 0
A vide : = s g = 0 Tem = 0
2 rem s 2
s 2rs T
3p R' gT V
R'R X
g
Td
Tem
Tmax
s
Zone d’utilisation
(Linéaire)
Vitesse à vide
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 20
Valeurs critiques
Couple de démarrage Td :
Couple électromagnétique maximal Temax :
Ce couple est maximal pour une valeur particulière appelée glissement critique gc :
rc 2 2
s T
R'g
R X
2s
e 2 2s s s T
3p V 1T max . .
2 R R X
2 r
d s 2 2
s s r T
3p R'T V
R R' X
Td : dépend de la résistance
R’r du rotor.
Temax : inversement proportionnel
à XT et indépendant de R’r.
gc : proportionnel à la résistance
R’r du rotor.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 21
Modes de démarrage
Démarrage Direct.
Démarrage sous tension réduite :
Démarrage Étoile-Triangle : Te et Id sont divisés par 3.
Utilisation d’un autotransformateur.
Démarrage par gradateur.
Utilisation d’un démarreur électronique.
Démarrage Statorique (insertion d’impédances au stator).
Démarrage Rotorique (insertion d’impédances au rotor dans le cas d’un moteur
asynchrone à rotor bobiné).
Démarrage à l’aide d’un variateur de vitesse.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 22
Raccordement du MAS
La plaque à bornes du moteur asynchrone permet de raccorder les enroulements du
stator à l’aide de six bornes repérées : (U1,V1,W1) et (U2,V2,W2)
Le positionnement de trois barrettes de cuivre permet d’alimenter le moteur sous deux
tensions différentes.
U1 V1 W1
U2 V2 W2
Plaque à bornes d’une
machine asynchrone
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 23
Variation de la vitesse
Hypothèses de calcul :
Résistance du stator Rs négligée
Réactance totale : XT = Xs + X’r = LT s
Équations simplifiés :
Variation de la vitesse par modification de la caractéristique du couple Tem().
Paramètres de variation de la vitesse :
Nombre de paires de pôles : p
Tension d'alimentation : Vs
Résistance rotorique : Rr
Fréquence d'alimentation : fs
s
s
s
s VE
T
2
T
2
s
s
maxeL2
p3
X2
Vp3T
T
rmax
X
'Rg ; ;
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 24
Action sur le nombre de pôles
Moteur 2 vitesses
DAHLANDER
Moteur DAHLANDER
Ce moteur est réalisé avec une conception particulière de l'enroulement statorique. Cette
conception permet, grâce à des connexions extérieures, de varier le nombre de paires de
pôles (p) de la machine, et par conséquent la vitesse de rotation.
On se limite en général à deux vitesses :
PV : Petite Vitesse.
GV : Grande Vitesse.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 25
Action sur la tension statorique Vs
Solution réalisée par un autotransformateur ou un gradateur de tension.
Le couple maximal Temax est atténué Faible couple de démarrage.
Charges Tr = k.n avec service continu : Pompes, Centrifugeuses, Ventilateurs.
L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement : = (1 – g)
Le glissement gmax se conserve puisqu'il est indépendant de la tension Vs.
Tem
s
Tem
Tr = k ²
V2 = 85 %
V1 = 100 %
V3 = 65 %
s
V1
V2
V3
V4
Tr = k
min max
min max
MAS à
cage.
MAS à
bagues.
s
sV
T
2
maxeL2
p3T
T
rmax
X
'Rg ; ;
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 26
Action sur la résistance rotorique
Solution applicable uniquement aux moteurs à rotor bobiné.
Le couple maximal Temax reste constant. On obtient Td importants tout en diminuant Id.
Charges à couple constant Tr = k : Engins de levage, Treuil.
L’augmentation du glissement entraîne une diminution du rendement.
Le glissement gmax augmente avec R’r. Le rendement est diminué.
Tem
Tmax
s
Tr
Rr1 Rr0Rr2
s
sV
T
2
maxeL2
p3T
T
rmax
X
'Rg ; ;
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 27
Action sur la fréquence
Tem
Tmax
s
fs
Tr
On varie la vitesse s du champ tournant par action sur la fréquence fs de la source Vs :
Le couple maximal Temax reste inchangé.
Le glissement reste pratiquement constant, le rendement est conservé.
s
sV
T
2
maxeL2
p3T
T
rmax
X
'Rg ; ;
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 28
Variateur de vitesse industriel
Démarrage et arrêt : réglage de l'accélération et de
la décélération au moyen d’un profil de vitesse.
Variation et régulation de la vitesse : certains
variateurs sont munis d'un régulateur de vitesse
avec une boucle de retour.
Inversion du sens de rotation : cette fonction est
souvent réalisée par inversion de la consigne à
l’entrée du variateur.
Freinage : réalisé par injection du courant continu
dans le moteur avec un fonctionnement réversible de
l’étage de puissance.
Protections intégrées : contre les courts-circuits, les
surtensions et les chutes de tension, les
déséquilibres et la marche en monophasé.Variateur de vitesse pour MAS
(type ATV58H – Télémécanique)
DémarrageArrêt
td ta
t
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 29
Classes des MAS : Norme NEMA
C’est une classification des moteurs asynchrones
à cage afin d’adapter leurs caractéristiques
nominales aux charges mécaniques usuelles.
Pour un moteur asynchrone, le rapport (Td/Tn) est
proportionnel à Rr alors que le rapport (Id/In) lui est
inversement proportionnel.
Couple de démarrage :
Glissement maximal correspondant :
22 s
d r sd r 2 2s s r T
V3p 3pT R' I R'
R' X
T
rmax
X
'Rg
Caractéristiques normalisées des classes
NEMA des moteurs asynchrones.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 30
Génératrice Asynchrone : Principe
Principe
Si la MAS est entraînée à > s Glissement g < 0
Couple et puissance active < 0 Fonctionnement en Génératrice Asynchrone.
Démarrage
Habituellement assuré par la machine d'entraînement.
Utilisation momentanée en moteurs pour amorcer le lancement du groupe générateur.
Magnétisation
La MAS ne possède pas d’excitation la puissance réactive nécessaire à sa
magnétisation peut être fournie :
Soit par le réseau : la machine est couplée en parallèle.
Soit par une batterie de condensateurs dans le cas d'une utilisation isolée.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 31
Génératrice Asynchrone : Caractéristiques
> s g < 0 Fonctionnement en Génératrice Asynchrone.
Réseau
électrique
Turbine
MAS
Tem
s
Moteur : 1 > g > 0 g < 0 : Génératrice
T() Turbine
Tem() MAS
Point de
fonctionnement stable.
MachinesAsynchrones© M. ZEGRARI 32
MAS Monophasé à Condensateur
Ajouter un enroulement auxiliaire, décalé de 90° par rapport à l’enroulement principal, et
parcouru par un courant déphasé de /2 par la mise en série d’un condensateur.
P< qq kW : Condensateur électrochimique de forte valeur (50 µF pour moteur 600 W).
Après le démarrage : déconnexion automatique par relais centrifuge placé sur l’arbre.
Petite puissance (100 à 300 W) : Condensateur de faible valeur branché en permanence.
Source
monophasée
Condensateur de
démarrageRelais
centrifuge
Phase
principale
Phase
auxiliaire
MAS monophasé
à Condensateur