machines asynchrones
DESCRIPTION
Un cours riche en informations .;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;BONNE CHANCETRANSCRIPT
-
Chapitre
3
Machines lectriquesLST GE
MACHINES ASYNCHRONES
-
Electromagntism
e2
3 Introduction
- Les moteurs asynchrones sont frquemment utiliss en industrie :- Nikola Tesla in 1883 - Ne ncessite pas de balais- Utilis dans 1/3 de la consommation lectrique- Seulement le stator reli lalimentation- Design simple- Faible Cot - Maintenance simple et moins couteuse- Large gamme de puissance jusquau 10MW- Tourne avec la mme vitesse pour toutes types de charge- Sa vitesse dpend de la frquence de la source dalimentation, pas facile
davoir un contrle de la vitesse et ce qui ncessite un systme dlectronique de puissance frquence variable
- Consommation de lnergie ractive- La vitesse doit tre contrle par un mcanisme externe lorsque la machine
est connect une source frquence fixe
-
Electromagntism
e3
3 Analyse fonctionnelle
La machine asynchrone (MAS) est un convertisseur lectromcanique rversible. Le plus
souvent, cette conversion est utilise dans le sens Moteur.
Moteur Asynchrone : entranements industriels, applications domestiques.
Gnratrice Asynchrone : Production de lnergie lectrique (oliennes, mini-centrale
hydrauliques). Fonctionnement en frein (rcupration de lnergie).
Machine
Asynchrone
Pertes Cuivre (Joule) Fer (magntiques) Mcaniques
Energie
Electrique
Energie
Mcanique
-
Electromagntism
e4
3
Les machines asynchrones sont principalement utilises comme moteurs lectriques
une application particulire dans le domaine de la production olienne d'nergie en tant que gnrateurs
son utilisation est largement rpandue dans les applications industrielles, o entre 40 et 60% de la consommation d'nergie est consomme dans
ce type de charge
Application
-
Electromagntism
e5
3
Principales applications
tooling machines
Application
-
Electromagntism
e6
3 Application
-
Electromagntism
e7
3
electrical traction: used in conjunction with
power electronic supply, induction motors
are taking the place of DC machines
Application
-
Electromagntism
e8
3 Application
-
Electromagntism
e9
3 Application
-
Electromagntism
e10
3 Construction
un rotor tournant compos de tles perfores, empils pour crer une srie d'encoches de
rotor, fournissant un espace pour l'enroulement du rotor l'un des deux types d'enroulements de rotor : enroulements 3 phases
classiques en fil isol (rotor bobin) similaire l'enroulement du stator des barres en aluminium en court-circuit aux extrmits par deux anneaux en
aluminium, formant un circuit en forme de cage d'cureuil (cage d'cureuil)
Deux types de conception de base en fonction de la conception du rotor Moteur cage d'cureuil: barres conductrices prvues dans les fentes et en court-
circuit aux deux extrmits par des anneaux Moteur rotor bobin: ensemble complet d'enroulements triphass comme le
stator. Habituellement, raccord en Y, les extrmits des trois fils du rotor sontrelis des bagues collectrices sur l'arbre du rotor. De cette manire, le circuit derotor est accessible
-
Electromagntism
e11
3
La machine induction est faite de deux parties principales:1) Noyau magntique2) Les enroulements
Noyau magntique: faonne le flux gnr par les enroulements entre la partie statique (externe) et la partie mobile intrieure ralise avec des aciers lamins spares par un entrefer :
- Stator: partie externe limite sur le cadre entourant- Rotor: partie intrieure relie l'arbre de la machine
Construction
-
Electromagntism
e12
3
Structure magntique
Construction
-
Electromagntism
e13
3
ailes utilisscomme dissipateur de chaleur
Dents du stator
Encoches du stator
Encoches du rotor
Dents du rotor
Rayon de lentrefer
Rotor
Stator
Construction
-
Electromagntism
e14
3
Fait de tles
La culasse de stator est contenudans un botier externe fait del'acier en fonte ou en aluminium etest gnralement faite pour servircomme dissipateur de chaleur pourla machine (ailes) (dans le cas machinesrefroidi par un liquide , un circuit est ralis pour le
fluide refroidissement)
Construction
-
Electromagntism
e15
3
Il est presse et reli l'arbre au moyen de liaisons mcaniques
Rotor
Fait par tles
Structure asymtrique
Construction
-
Electromagntism
e16
3
Enroulement du stator
Trois phases distribus denroulement de fil de cuivre
connexions frontalesLes parties actives des enroulements insrsdans les fentes de stator
Construction
-
Electromagntism
e17
3
Les bornes des enroulements sont relis un botier de connexion externe
Possibilit de Connexions triangle ou en toile
Connexions toile
Connexions triangle
Construction
-
Electromagntism
e18
3
Rotor bobin(a) Trois phases d'enroulement distribu avec le nombre de paire de ples du stator
relie l'extrieur par des contacts rotatifs glissement en rotation
Construction
-
Electromagntism
e19
3
Rotor cage(b) Bobine de Cage: barres conductrices (dans les fentes) court-circuit auxdeux extrmits par de bagues conductrices
Souvent, la cage (cage d'cureuil) est ralis au moyen d'aluminium moul sous pression
Anneaux de de courts circuit
Barres du rotor
Construction
-
Electromagntism
e20
3
-
Electromagntism
e21
3 Champ tournant
Trois enroulement dcales mcaniquement de 120 et aliments par une source triphase quilibre donnent lieu un champ tournant avec comme vitesse de rotation la pulsation des courants dalimentation
f la frquence de la source dalimentation
p le nombre de paires dalimentation
60/s
ftr mn
p
-
Electromagntism
e22
3 Vitesse de synchronisme
2P 50 Hz 60 Hz
2 3000 3600
4 1500 1800
6 1000 1200
8 750 900
10 600 720
12 500 600
-
Electromagntism
e23
3 Champ tournant
-
Electromagntism
e24
3 Champ tournant
-
Electromagntism
e25
3 Champ tournant
-
Electromagntism
e26
3
( ) ( ) ( ) ( )net a b cB t B t B t B t
sin( ) 0 sin( 120 ) 120 sin( 240) 240M M MB t B t B t
sin( )
3 [0.5 sin( 120 )] [ sin( 120 )]
2
3 [0.5 sin( 240 )] [ sin( 240 )]
2
M
M M
M M
B t
B t B t
B t B t
x
x y
x y
Champ tournant
-
Electromagntism
e27
3 Champ tournant
1 3 1 3( ) [ sin( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( )]
4 4 4 4
3 3 3 3[ sin( ) cos( ) sin( ) cos( )]
4 4 4 4
net M M M M M
M M M M
B t B t B t B t B t B t
B t B t B t B t
x
y
[1.5 sin( )] [1.5 cos( )]M MB t B t x y
-
Electromagntism
e28
3 Champ tournant
-
Electromagntism
e29
3
1)- Fonctionnement avec rotor bloqu et circuit ouvert
enroulement Triphas du stator aliment par 3 tensionstriphases quilibres
Les courants statoriques ont la mme frquence angulaire etformant un systme de courants triphas quilibr
Le rotor bobin avec des bornes de circuit ouvert pasde courants dans le rotor
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e30
3
Puisque le rotor ne tourne pas, les enroulements du stator et rotor ont la mme position angulaire
phases du stator: U, V, W phases du rotor: U ', V', W '
Rotor
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e31
3
Les courants de stator crent un champ tournant la vitesse (vitesse de synchronisme)
/s p
p = 1, q = 3 (rotor non trac pour simplifier)
T=t0 T=t1 T=t2
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e32
3
est le flux tournant qui est li la fois aux enroulements du stator et rotoru
varie dans le temps ce qui induit f..m. dans les deux enroulements
u
Tous les f..m. ont la mme qui ne dpend pas du nombre de ples de la machine
Les f..m. sont dcales dans le temps de 120 due au dcalage dans lespace
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e33
3
Avec la position fixe du rotor, le processus est similaire ce qui se passe dans un transformateur
Fm dans le stator
'( )( ) .4,44. . .S SS S s Ud t
e t E j j N fdt
Flux lis aux enroulements du stator
Nombre quivalent des spires de lenroulement dans le stator
( )S t
' .sN
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e34
3
Avec la position fixe du rotor, le processus est similaire ce qui se passe dans un transformateur
Fm dans le rotor
'1( ) .4,44. . .r rr r r U
de t E j j N f
dt
Flux lis enroulements du rotor
Nombre quivalent des spires de lenroulement dans le rotor
( )r t
' .sN
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e35
3
'1 max.4, 44. . .r r UE j N f
'
max.4, 44. . .s s UE j N f
avec rotor circuit ouvert et la position fixe, la machine asynchrone se
comporte comme un transformateur vide
La machine est comme un transformateurde champ tournant avec un rapport:
s s
r r
NE
NE
Principe de fonctionnement
Le stator et le rotor ont la mme frquence
-
Electromagntism
e36
3
2) Fonctionnement avec rotor circuit ouvert tout en tournant la machine une vitesse angulaire fixe
Le rotor est entran une vitesse angulaire donne
La fm du stator ne change pas
La fm du rotor. change suite au mouvement relatif entre
le champ et le rotor en rotation
Position relative est mesure en termes d'angle lectrique
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e37
3
Fm du Rotor est :
a une frquence angulaire diffrente de celle du stator
r r rE j p
rE
Comme ils n ont pas la mme frquence angulaire, il est impossible de les tracer sur le mme diagramme
Principe de fonctionnement
sE
-
Electromagntism
e38
3
Vitesse de glissement est la vitesse angulaire relative entre le rotor et le champ tournant
rad/sg rp
Les variables lectriques dans le rotor (fm et courants) ont une frquence angulaire gale :
. . rad/sg rp p
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e39
3
Glissement: cest la diffrence relative entre la vitesse de synchronisme et celle de rotor
% .100
s r
s
s r
s
g
g
% .100
r
r
pg
pg
/s p
g = 0 signifie qu'il n'y a pas de diffrence entre les deux vitesses g = 1 signifie que (rotor bloqu)
s r 0r
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e40
3
Rotor fm
.2. .
r r r
r
E j p
p g g f
'4,44. .( . ).r rr rE jg j N g f V Force contre-lectromotrice induite dans le rotor et les
courants ont une frquence gale gf
Si le rotor tourne de la vitesse de synchronisme (g = 0) il ny a pas de phnomne d'induction (fem induite = 0)
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e41
3
Dans la pratique, les vitesses sont exprims en (rpm) ou tr/mn
60 60
2. 2.
2
s sp
f
60.
tr/mnsf
p
Avec une frquence d'alimentation constante la vitesse de synchronisme est constante et dpend du nombre de ples
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e42
3
Vitesse de synchronisme la frquence 50 Hz
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e43
3
Un moteur asynchrone 208 V, 10hp, 4 ples, 60 Hz, connects en Y avec un glissement de 5%
1- Quelle est la vitesse synchrone de ce moteur?2- Quelle est la vitesse du rotor de ce moteur la charge nominale?3- Quelle est la frquence de rotor de ce moteur la charge nominale?4- Quel est le couple de l'arbre de ce moteur la charge nominale?
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e44
3
1.
2.
3.
4.
60 60 (60)1800
2
esync
f xn rpm
P p
(1 )
(1 0.05) 1800 1710
m sn s n
rpm
0.05 60 3r ef gf Hz
260
10 746 /41.7 .
1710 2 (1/ 60)
out outload
mm
P P
n
hp watt hpN m
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e45
3
3) Fonctionnement avec rotor en cc tournant une vitesse donne r
tant donn que le rotor est ferm, une force contre-lectromotrice induite peut crer des courants avec une frquence angulaire
Les courants rotoriques triphass crent un champ tournant qui tourne une vitesse par rapport au le rotor.
Le rotor tourne une vitesse par rapport au stator.
g
gp
r
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e46
3
Le champ magntique tournant produit par le rotor tourne avecla vitesse par rapport au stator
r gp
r rrr s
p pp ggp p p p
Le champ magntique tournant produit par le rotorest synchrone avec le champ magntique rotatifproduit par le stator, et donc un couple continu peuttre gnr
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e47
3
Le couple produit dpend de l'interaction des trois phases du systme actuel compos de stator et le rotor.
Les courants rotoriques sont induits par le champ tournant produit par le stator.
A la vitesse synchrone la fm du rotor est =0 , Les courants induits sont =0 le couple gnr est gal 0.
r s
Le couple est non nul lorsque la vitesses du rotor est diffrent de la vitesse synchrone machine asynchrone
Principe de fonctionnement
-
Electromagntism
e48
3
sI sR fs fsX L
m mX LsV sE
rRfr frX L
r rE g gE
rI
mI
g
Schma quivalent
Avec le stator aliment par 3 tensions triphass et quilibres, l'analogie avec le principe de fonctionnement du transformateur, un premier circuit quivalent peut tre propos, avec deux frquences diffrentes
-
Electromagntism
e49
3
Linductance de fuite correspond au flux de fuite dans lestator et le rotor (flux qui ne traversent pas le fer)
l'inductance magntisante tient compte de la prsence del'entrefer qui a une haute reluctance magntique
En comparaison avec les transformateurs, le courantmagntisant Im nest pas faible par rapport au courantnominal (rluctance de entrefer).
Signification physique des composants:
Schma quivalent
-
Electromagntism
e50
3
Le circuit quivalent peut tre modifi en ramenant les paramtres du rotor au
stator
Les paramtres du rotor peuvent tre ramens du cot stator en utilisant les
mmes rgles dfinies dans le cas du transformateur en tenant compte du nombre
de spires quivalent
'
'
r
s
Nm
N
' '
' '
2 2
.
rr r r
frrr fr
EE I m I
m
XRR X
m m
Schma quivalent
-
Electromagntism
e51
3
La fm du rotor peut tre crite sous la forme
'
' '' '
' '
'
'
4,44
4,44 . .4, 44. .
. =
r r r u
r rr s u s u
s s
rs
s
E jg j N gf
N NE N gf g N f
N N
NgE
N
''
'
sr r s
r
NE E gE
N
Schma quivalent
-
Electromagntism
e52
3
Le nouveau circuit avec des quantits de rotor ramenes au stator:
sI sR fs fsX L
m mX LsV sE
'
rR' '
rf rfX g L
'
r sE gE
'
rI
mI
Les circuits du rotor et du stator ne sont pas la mme frquencesauf le cas du rotor bloqu (g=1)
Schma quivalent
-
Electromagntism
e53
3
Il est ncessaire de modifier les circuits pour que le stator et le rotor aient la mme frquence.
divisant les quantits du rotor par g, cette manipulation ne vas pas changer la valeur du courant du rotor:
La force contre-lectromotrice du rotor devient gale Es
La ractance de fuite du rotor est la frquence du stator
'
'' ''
s s
r
rr frfr
gE EI
RR jg Lj L
g
Schma quivalent
-
Electromagntism
e54
3
sI sR fs fsX L
m mX LsV sE
' /rR g' '
rf rfX g L
mI
Entrefer
Circuit quivalent ramen la frquence du stator
La valeur fictive de la rsistance du rotor Rr / g prend en compte toute la puissance transmise du stator au rotor (galement la puissance mcanique)
Schma quivalent
-
Electromagntism
e55
3
La rsistance fictive Rr /g dpend du glissement, et peut tre spar en deux rsistances en srie
reprsente les pertes par effet Joule dans les circuits de rotor
est une rsistance fictive qui reprsente la puissance lectrique convertie en nergie mcanique
sI sR fs fsX L
m mX LsV sE
'
rR' '
rf rfX g L
mI
Entrefer ' 1.rg
Rg
'
rR
' 1.rg
Rg
Schma quivalent
-
Electromagntism
e56
3
Pour complter le circuit quivalent une seule phase, les pertes fer doivent tre prises en compte (stator et rotor)
Les pertes fer dans le stator dpendent de l'amplitude et de la frquence du champ magntique tournant, et donc de la force lectromotrice du stator ( tension d'alimentation).
au points de fonctionnement normal, les valeurs de g sont trs faibles (3 - 5%) et la frquence du rotor peut tre nglige
Les pertes rotor de fer sont trs petites par rapport celles du stator et peuvent tre ngliges
Schma quivalent
-
Electromagntism
e57
3
Circuit quivalent monophas complet vu du ct du stator
sI sR fs fsX L
mXsV
sE
'
rR' '
rf rfX g L'rI
mI
' 1r
gR
g
feR
feI
Entrefer
feR Rsistance fictive reprsentant les pertes fer
Schma quivalent
-
Electromagntism
e58
3
En raison de la rluctance de l'entrefer, le courant vide dans les machines induction I0 est d'environ 20 - 60% du courant nominale (dans les transformateurs ce courant est autour de 1 5%)
Le circuit quivalent des les machines asynchrones, les paramtres Rs et Xfs ne peuvent pas tre dplac aprs l'impdance vide Xm et Rfer pour simplifier les calculs (erreur importante).
Schma quivalent
-
Electromagntism
e59
3
sI sR fs fsX L
mXsV
sE
'
rR' '
rf rfX g L'rI
mI
' 1r
gR
g
feR
feI
EntreferjsP jr
P
mPfeP
sP
jsP
feP jrP
mecap
tP mPuP
Bilan de puissance
-
Electromagntism
e60
3
3 . . 3 . .s s s s s s sP V I Cos U I Cos
Puissance absorbe
Pertes joules au stator
23 . Wjs s sP R I
Bilan de puissance
-
Electromagntism
e61
3
2
3 sfefe
EP
R
Pertes fer
Puissance transmise du stator au rotor
- - Wt s js feP P P P
Pertes joule rotor
' ' 23 . Wjr r rP R I
Bilan de puissance
-
Electromagntism
e62
3
Puissance convertie en puissance mcanique
le rotor absorbe une partie de la puissance en fonction du
glissement
Qd le rotor est fixe (g = 1) toute la puissance transmise est dissipe dans le rotor
Qd le rotor est mobile (g1) la fraction (1-g) / g est converti en puissance mcanique
' ' 21
3. . Wt r rg
P R Ig
t jr mP P P
Bilan de puissance
-
Electromagntism
e63
3
Couple lectromcanique
' ' 213. .
N.mr r
mm
r r
gR I
P gT
1r sg
'' 23. .
tP= N.m
rr
m
s s
RI
gT
La puissance transmise du stator au rotor dpend de la valeur du couple lectromagntique et ne dpend pas de la vitesse du rotor.
.tP m sT
Bilan de puissance
-
Electromagntism
e64
3
Pertes mcaniques dues aux frottements et ventilation - Pmeca
Lorsque la machine fonctionne en moteur, le couple de sortie disponible l'arbre est gal au couple lectromagntique produit, diminu du couple due aux frottements et de ventilation
utile m fvT T T
Bilan de puissance
-
Electromagntism
e65
3
.Puissance transmise l'entrefer:
.t m sP T
'
'2
3.
.
r
tm r
s s
R
P gT I
Le courant de rotor est value partir dune phase du circuit quivalent
sI sR fsX
mXsV
sE
'
rR'
rfX'
rI
mI
' 1r
gR
g
feR
feI
Le circuit du stator est remplace par le gnrateur de Thvenin quivalent
Bilan de puissance
-
Electromagntism
e66
3
sIsZ
sV sE
'
rR'
rfX
' 1r
gR
g
0Z
Entrefer
0I
0 //
s s s
fe m
Z R jX
Z R jX
sIeqR eqX
sV sE
'
rR'
rfX'
rI
' 1r
gR
g
Entrefer
eqZ0
0
0
.
//
eq s phase
s
eq eq
ZV V
Z Z
Z R Z
eq eq eqZ R jX
Bilan de puissance
-
Electromagntism
e67
3
''
2'
2'
( )
eq eqr r
eq rr
eq eq r
VVI I
Z Z g RR X X
g
sp
'
2
2'
2'
3. . .
r
m eq
req eq r
R
p gT V
RR X X
g
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e68
3
Avec une tension d'alimentation fixe (en amplitude et en frquence), la caractristique de couple en fonction du glissement peut tre dtermin
Fonctionnement en frein hypersynchrone
Fonctionnement en moteur hyporsynchrone
Couple maximal
Couple dedmarrage
Couple de freinage maximal (gnrateur)
Glissement du couple max
Glissement
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e69
3
Limite pour g 0
'
2
2
2 '0 '2
'
3. . . 3. . .
r
eq
m eqgrr
eq r
R
Vp pgT V g
RRX X
g
Pour les faibles valeurs de g, le couple varie linairement avec g
Limite pour g
'
2
2 2'
3. . .
r
m eqg
eq eq r
R
p gT V
R X X
Pour les grandes valeurs de g, le couple est inversement proportionnel g
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e70
3
Commentaires sur la caractristique de couple
'
2
2'
2'
3. . .
r
m eq
req eq r
R
p gT V
RR X X
g
Le couple a le mme signe de g
Le couple dpend
Le couple est = 0 pour g = 0 et pour s---->
Le couple prsente deux valeurs maximales (positive
et une ngative) pour les valeurs gales de glissement en valeurs absolues
2V
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e71
3
Caractristique du couple en fonction de la vitesse du rotor
Fonctionnement comme moteur hyposynchrone
Fct en gnrateurFrein regnratif
Fonctionnement comme frein (frein dissipatif)
Couple maximal
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e72
3
Dans les conditions nominales le glissement est trs faible (3-5%): la valeur nominale de la vitesse est proche de la vitesse synchrone.
Exemple
N -point nominal
Pas de charge
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e73
3
Idalement la machine tourne la vitesse synchrone (g = 0) Dans la pratique, en raison des pertes de frottement et de ventilation, la
valeur de glissement est gnralement trs faible ( ), mais non nul la vitesse synchrone (g = 0), il ny a pas de mouvement relatif
entre le champ tournant et le rotor : pas de fm induites, et pas de courant dans le rotor.
Un courant vide dans le stator (I0) est ncessaire pour maingtenir le flux magntique tournant et compenser les pertes
Le courant de stator de charge (20 - 60% du courant nominal), il dpend de l'paisseur d'entrefer
conditions vide
0 0g
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e74
3
2- Condition de rotor ou de dpart fixe (g = 1)
Les conditions de demarrage peuvent tre analyses au moyen de lacircuit quivalent
Courant du Rotor avec g = 1:
'
1 22'
eq
r g
eq eq r
VI
R X X
'2
2 2' '
3. . . Nmrd eqeq r eq r
RpT V
R R X X
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e75
3
La valeur du courant de dmarrage est lev (5 - 10 fois le courant nominal): il reprsente le courant maximal que le moteur peut absorber.
La condition de demarrage est critique pour le moteur; certaines techniques sont adoptes pour rduire les courants de dmarrage:
utilisation dune srie de ractance connect au stator pour rduire
le courant
utilisation d'une rsistance srie connecte au rotor (seulement
bague)
partir avec montage denroulements branchs toile puis
commutation la connexion triangle
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e76
3
Couple maximal
La valeur de g correspondant au couple maximal (g (Tmax) peut tre obtenu par rsolution de l'quation:
0T
g
Alors, il peut tre obtenu en utilisant la condition de transfertmaximal de puissance entre le gnrateur et de la charge: Qui estobtenu lorsque l'impdance interne du gnrateur est gale l'impdance de charge
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e77
3
Transfert de puissance maximale
sIeqR eqX
sV
'
rR
g
'
rfX
'
eq frZ jX
=
max
'2
2 'req eq rf
T
RR X X
g
max
'
22 '
rT
eq eq rf
Rg
R X X
'eq fs
eq fs rf ft
X X
R X X X
max
'
rT
ft
Rg
X
ftX Ractance totale
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e78
3
Le couple maximal sera avec
max
N
T
T
maxmax T
T gmax
'
rT
ft
Rg
X
2
2
max 22
3. . . 3. . .2
Nmft eq
eq
fteq ft ft
X Vp pT V
XR X X
La valeur maximale de couple est inversement proportionnel ractance de fuite totale
capacit de surcharge (lectromagntique) du moteur
La capacit de surcharge dun moteur varie entre 1.5 et 2.5
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e79
3
En augmentant le couple de charge, le moteur ralentit sa vitesse, le glissement du rotor augmente et les courants statoriques et rotoriques augmentent
Au-del du couple nominal, les pertes joules peuvent provoquer une surchauffe de la machine.
Au-del du couple maximum, le rotor se arrte.
Couple nominalLe moteur ne dpasse pas sa temprature limite
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e80
3
Plaque signaltique d'un moteur induction 3 phases colle sur le stator
Caractristique mcanique
-
Electromagntism
e81
3
Tests sur le moteurAvec le circuit quivalent, il est possible d'tudier le comportement du moteur dans diffrentes conditions de fonctionnement (alimentation et charge)
Identification des valeurs de paramtre dans le circuit quivalent est ncessaire
Les paramtres du circuit quivalent peut tre dtermin de deux faons:
Calcul partir des donnes de conception (gomtrie, tailles, sections, les caractristiques des matriaux, etc.)
Obtenu partir des donnes mesures dans des essais exprimentaux
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e82
3
Des essais exprimentaux pour dterminer les paramtres du circuit quivalent
1- Mesure de la rsistance de phase de stator par la mthode Volt Amprmtrique2- Essai en statu quo3- Essai vide
Indpendamment de la connexion des phases du stator, les paramtres du schma quivalent dune phase du stator est calcul pour un couplage des phases du stator
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e83
3
Mesure de la rsistance d1 phase du stator par la mthode Volt Amprmtrique
DC
0,5. dcsdc
VR
I
Test effectu avec la machine la temprature ambiante
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e84
3
Schma de mesure pour les essais AC (n-charge et de statu quo)
Alimentation triphas
Mesure de la tension compose
Moteur asynchrone
Mesure du courant de ligneMesure de la puissance active par la mthode de double wattmettre
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e85
3
Essai de l'arrt
Le stator est aliment par du courant alternatif une tension beaucoup plus faible que la tension nominale pertes fer trs faibles
les paramtres de la branche en shunt du circuit quivalent sont ngligs
'
s rmX Z Z
sccI sR
sX
sccV
''rr
RR
g'
rfX
fR mX
'
'
cc s s
cc fs fs
R R R
X X X
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e86
3
La puissance active dessine, Pcc, le courant de ligne trace et Iscc
La puissance absorbe Pcc, le courant absorbe Icc, et la tension compose Vcc sont
mesurs
Les rsultats obtenus sont ramene la temprature d'essai Tc
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e87
3
2 23. . VA
VAR
cc cc cc
cc cc cc
S V I
Q S P
2
2
3
3
cccc
cc
cccc
cc
PR
I
QX
I
La rsistance du rotor est ramene au stator:
'
r cc sR R R
Sil ny a pas de donnes sur les ractances de fuite, On adopter cette hypothse
0,5. fs fr ccX X X
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e88
3
Les paramtres trouvs doivent tre soumis une temprature de rfrence Trf
2 2
234,5
234,5
( )
( )
.
( ) .
ref
c
cc ref cc
cc ref cc
cc ref cc cc cc
cc ref cc
Tk
T
R T kR T
X T X T
V T X kR T I
P T k P T
234,5 coefficient de temprature du cuivre
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e89
3
La machine est alimente la frquence nominale et le rotornest pas lie une charge mcanique
Lessai est effectu avec diffrentes valeurs de tension allantd'une valeur maximale (suprieur la valeur nominale par certains%) jusqu' une valeur minimale (ce qui permet la rotation du rotor)
Le couple rsistant en raison des frottements et de ventilation est faible par rapport au couple nominal la vitesse est lgrement infrieure la vitesse de synchronisme ( )
Essai vide
0g
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e90
3
0sI sR
sX
sV
'
0rR
g
'
rfX
fR mX
0 0rI
0sI sR
sX
sVfR mX
0 0rI
Paramtres non
ngligeables
feI mI
0sEfeI
0sI 0sE0ssR I
0sfsjX I
s0V0
mI
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e91
3
feI
0sI 0sE0ssR I
0sfsjX I
s0V0
mI
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e92
3
Le test vide doit se terminer quand une nouvelle baisse de la tension d'alimentation entrane une augmentation du courant consomm
la fin de l'essai, la temprature d'essai doit tre dtermine par une nouvelle mesure DC de la rsistance du stator, Rsv
La ractance du stator Xfs est connu de l'essai d'immobilit, lessai vide permet l'identification des paramtres de drivation du circuit quivalent (Rf e Xm)
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e93
3
Les pertes de lessai vide (pertes du rotor peuvent tre ngliges)
0sI sR
sX
sVfR mX
0 0rI
Puissance
absorbefeI mI
0sE
0jsP
fePfvP0P
0jsP
fvP
Pertes joules dans le stator
Pertes mcaniques dues aux frottements et ventilation
feP Pertes fer
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e94
3
Pertes fer et pertes mcaniques
0
2
0 03. .
js
fe fv s s
P
P P P R I
Pour dterminer Rfe il est ncessaire de sparer les pertes fer des pertes mcaniques
Les pertes mcaniques sont indpendantes de la tension d'alimentation ils peuvent tre extrapoles partir de la courbe
0fe fv sP P f V
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e95
3
Points mesurs
fvP0sV
00
3
ss
UV
fv feP PfeP
La tension minimale dessaiVs0, min(le courant augmente)
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e96
3
Facteur de puissance vide et tension nominale
feI
0sI 0sE0ssR I
0sfsjX I
s0V0
mI0
00
03. .n
PCos
V I
La f.e.m. du Stator est obtenue partir du diagramme de phase en fonctionnement vide
0 0.s ssn s fsE V R jX I
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e97
3
La valeur efficace de la fm du stator est :
2 20
00 0
00 0
.
.
Vs
ssn s fs
ss fs
E A B
A V R Cos X Sin I
B X Cos R Sin I
Les valeurs de Rfe et Xm sont
2
03. sfefe
ER
P
0
2 2
0
/fe s fe
m s fe
I E R
I I I
2
03. smm
EX
I
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e98
3
Les valeurs de Rfe et Xm dpendent de la saturation magntique, donc de la valeur de la tension durant l'essai
(par exemple pour un moteur avec une tension nominale de 230 V)
0 50 100 200150 230
Etude exprimentale
-
Electromagntism
e99
3
Chauffage et l'efficacit (test de charge)
L'objectif principal est de vrifier si le moteur peut donner la puissance nominaleaux conditions nominales et de dterminer son rendement avec diffrentes conditions de charge
utile
utile
P
P pertes
Le moteur est reli une charge mcanique avec la possibilit de varier et mesurer le couple rsistant et mesurer la vitesse de rotation
RENDEMENT
-
Electromagntism
e100
3
Le moteur est port des conditions thermiques stables avec nots l'offre et la charge mcanique nominale
Aprs l'tat d'quilibre thermique est atteint, le couple rsistant est modifie rapidement avec la squence de 150%, 125%, 100%, 75%,50%, 25% du couple nominal
Outes les valeurs de l'lectrique (entre) et mcanique (sortie)les quantits sont mesures
Le rendement de la machine est calcule en fonction de la charge et les pertes de puissance sont calculs en utilisant l'quivalent circuit
RENDEMENT
-
Electromagntism
e101
3
utile utile
absorbe utile js jr fe fv ad
P P
P P P P P P P
Padd : ertes supplmentaires cause principalement par les harmoniques de l'espace du champ magntique dans l'entrefer (nglige dans le circuit quivalent)
Wadd absorbe js jr fe fv utileP P P P P P P
Pfe et Pfv mesures lors de lessai vide , sont considrs comme constantes lorsque la charge varie,
RENDEMENT
-
Electromagntism
e102
3
Le Moteur asynchrone alimente par une tension efficace constante et frquence de tension constante est une machine fonctionnant vitesse presque constante lorsque la charge varie
La caractristique mcanique T = f (w) dans la rgion stable est trs "raide petites variations de la vitesse avec la variations de charge
Au cours des dernires annes le moteur asynchrone a t principalement utilis dans les applications vitesse constante (pompes) alors que les moteurs courant continu ont t utiliss dans des applications vitesse variable
Actuellement lemoteur asynchrone est utilis dans de nombreuses applications qui ncessitent une vitesse variable comme une alternative aux moteurs courant continu
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e103
3
La vitesse du moteur induction
60.
1 . 1 . tr/mnr sf
g gp
Mthodes de contrle de la vitesse du moteur asynchrone
1) Variation du Nombre de paires ple p2) Variation du glissement g, par:
2.1. Variation de la rsistance du rotor (machines rotor bobin)2.2. Variation de la tension alimentation (frquence constante)
3) Variation de la frquence dalimentation f
4) 2.2)+3) avec un rapport constant V / f ie flux magntique constant
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e104
3
1) Variation du nombre de paires de poles p
Regulation de la vitesse synchrone par tapes
Exemple: un ascenseur ncessitant une certaine vitesse de levage et une
vitesse faible lorsqu'on se rapproche l'tage de destination
Variation du nombre de Paires de Pole, Cette variation peut tre obtenue en faisant varier la connexion dans les enroulements du stator
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e105
3
Solutions de varier le nombre de paires de ples:
(a) Double enroulement du stator: deux enroulements avecdiffrents ples , Nombre de paires sont construits; un seulenroulement est fourni pour rgler la vitesse synchrone (solutioncoteuse)
(b) Dcollement du stator simple qui peut tre connect au ppaires de ples ou 2p paires de ples (enroulement de Dahlander)
le moteur peut fonctionner deux vitesses avec unrapport 1:2
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e106
3
Variation de la rsistance du rotor (rotor bobin)
Si le rotor est en court-circuit (rsistance rotore Rr)
Puissance mcanique sur larbre
1 1 1 1m r r tP T g P
Pertes Joules Rotor 1 1 1.jrP g P
Puissance Totale transmise
'r
m r RT f
.t r sP T
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e107
3
Variation de la rsistance du rotor (au moyen d'un rhostat externe) provoque une variation des pertes Joule rotor ainsi une diminution de la puissance disponible sur l'arbre
Moteur
secteur Industriel 50Hz
Avec un couple constant sur l'arbre, la vitesse du rotor diminue lorsque la rsistance totale du rotor augmente
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e108
3
'r f
m r R RT f
'
r fm r R RT f
Pertes Joules Rotor
2 2jr tP g P
2 2 2. 1 .m r r tP T g P
Puissance mcanique sur larbre du rotor
Puissance transmise
2 1
22
2
1
1
1
jr
m
jr
rm rP P
P P g g
.t r sP C
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e109
3
L'augmentation de la rsistance du rotor total ne change pas la valeur maximale du couple mais il change la valeur de g correspondant au valeur maximale du couple
max
2
' '
max/ 3. .2.
eq
C r f ft
ft
Vpg R R X T
X
2 1r r
Augmentation de Rf
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e110
3
Rgulation rhostatique de la vitesse peut tre utilise pour le dmarrage du moteur
La mthode rhostatique est une mthode de dissipation (de faible rendement)
l nergie de freinage dissiper sur un rhostat externe peut tre rcupr par un convertisseur lectronique de puissance AC-AC pour atteindre un bon rendement ( cascade hypo-synchrone)
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e111
3
Variation de lamplitude la tension d'alimentation entre 0 et la valeur nominale, avec une frquence constante
Le glissement du couple maximal reste constante mais le couple maximal varie proportionnellement la valeur au carr efficace de tension
2.2 Variation de la tension dalimentation
max
2
'
max/ 3. .2.
eq
C r ft
ft
Vpg R X T
X
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e112
3
La plage de rgulation de la vitesse est faible; Cependant, cette mthode est utile de dmarrer les moteurs chargs avec un couple rsistant qui est fonction de la vitesse (mthode dite soft-start)
Point de fonctionnement
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e113
3
Le moteur est aliment au stator par l'intermdiaire d'un convertisseur AC-AC qui assure l'entre une Tension constante
Le gradateur peut changer seulement la valeur efficace de tension, pas sa frquence
Le gradateur
Rseau industriel
Convertisseur AC-AC Moteur
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e114
3
La vitesse de rotation synchrone est modifie (proportionnellement la frquence) et la vitesse du rotor varie en consquence
Si la tension de l'alimentation est maintenue constante, alors le glissement du couple maximal est proportionnelle et le couple maximal est proportionnelle :
1/21/
max
' '
2 2
max
2
/ /
3. . 3. .2. 2.
3. .
2
= C r ft r ft
eq eq e
t
q
tf fft
g R X R L
V Vp V
L
pT
X L
p
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e115
3
Lorsque la frquence d'alimentation varie, le point de de la machine change et l'exploitation du matriaux de la machine change aussi
Pour maintenir constante l'exploitation du matriau des quantits nominales doivent tre calcules
max
'
2
max
2
/
3.
2 2.
3. .
C r ft
eq
ft ft
g R L
VpT
p
LL
4) 2.2)+3) avec rapport constant V / f (flux constant)
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e116
3
Corriger l'exploitation = avec couple rsistant constant, les courants du moteur et le flux magntique efficace ne devrait pas changer la lorsque la frquence varie
Les pertes sont aussi presque constantes; Les pertes fer augmentent lorsque la frquence augmente
En outre, les tensions et les courants dans le cas de lalimentation par un onduleur ne sont pas parfaitement sinusodale mais contiennent des harmoniques dordre importants Augmentation des pertes d'environ 5-10%
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e117
3
Pour maintenir le flux constant, la tension d'alimentation doit varier presque proportionnellement la frquence d'alimentation rapport constant V / f
N
,s NV
sV ,s NV
A basse frquence, l'influence de la chute de tension sur l'impdance de stator ne peut tre nglig
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e118
3
Entranement vitesse variable du moteur asynchrone
AC/DC DC/AC Moteur Charge
r mT
rT
Ui
Vi
Wi
dcV
Redresseur Onduleur
Systme de
contrle
Transducteurs
, , , ,.....r U V dci i V
Onduleur de
commande
(V,f)
Retour
Alimentation
industrielle
(50 Hz)
Rfrence
, .....rT
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e119
3
Grce lalimentation par onduleur lectrique (peut varier
la tension efficace et la frquence simultanment), nous
obtenons trois gammes de vitesse de rgulation:
a) La rgulation de la vitesse couple constant
b) La rgulation de la vitesse puissance constante
c) Rgulation de la vitesse puissance dcroissante
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e120
3
a) Rgulation de la vitesse couple constant
La valeur efficace du flux est maintenue constante et gale sa valeur nominale par l'application du V /f selon la loi V / f = const.
La tension d'alimentation est rgule (avec la frquence) de 0 la tension maximale qui peut tre donn par l'onduleur: Tension de base Vbase
A la valeur Vbase, la valeur de frquence est fbase selon la loi V / f
La mme valeur de couple est obtenue chaque frquence avec le mme glissement
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e121
3
Caractristiques du couple obtenue pour des frquences diffrentes avec le V /f selon la loi V / f = const. On a des courbes parallles
1r 1s2s2r
Caractristiques du couple mT
0
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e122
3
Le couple maximal est constant2
max
3. .
2
eq
ft
CsteVp
TL
Rgulation V / f = cst. permet la machine de dmarrer avec un couple de dmarrage suprieur au couple maximal
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e123
3
La tension fournie par l'onduleur est limite au valeur efficace maximale Vbase (entranement en tension de saturation )
augmentation de la frquence au-del fbase (fbase=f(wbase)) signifie ne pas tenir compte de la loi V / f, provoquant une rduction du flux (de dfluxage) rgulation
b) Rgulation de la vitesse puissance constante
'2 .2
s basesu
bases
E V constE
fN
Contrle de la vitesse
-
Electromagntism
e124
3
pour garder la valeur efficace du courant du stator constant, la demande de couple de charge doit tre rduit
Si la charge demande un couple qui est inversement proportionnelle la vitesse pour des vitesses suprieures la vitesse de base du moteur, Le moteur donne une puissance mcanique constante Pbase
Contrle de la vitesse