AI Mach.elec Chp.3 Machines Asynchrones

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.


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


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.


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°


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


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.


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


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.


Rotor bobiné (à bagues)

Balais

Rotor

Bobiné


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.


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


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 :


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


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


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


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 :


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.


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


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.


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.


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


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 ; ;


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.


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 ; ;


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 ; ;


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 ; ;


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


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.


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.


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.


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

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