Chapitre 6 MACHINES ASYNCHRONES -...
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Transcript of Chapitre 6 MACHINES ASYNCHRONES -...
Chapitre
6
2016/2017
MACHINES ASYNCHRONES
Machines asynchrones
2
4 Introduction
- Les moteurs asynchrones sont fréquemment utilisés en industrie :
- Nikola Tesla in 1883
- Ne nécessite pas de balais
- Utilisé dans 1/3 de la consommation électrique
- Seul le stator est relié à l’alimentation
- Design simple
- Coût Faible
- Maintenance simple et moins couteuse
- Large gamme de puissance jusqu’au 10MW
- Tourne avec la même vitesse pour toutes types de charge
- Sa vitesse dépend de la fréquence de la source d’alimentation, pas facile
d’avoir un contrôle de la vitesse et ce qui nécessite un système
d’électronique de puissance à fréquence variable
- Consommation de l’énergie réactive
Machines asynchrones
3
4 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
Energie
Electrique
Energie
Mécanique
Machines asynchrones
4
4
Les machines asynchrones sont principalement utilisées comme moteurs électriques
Une application particulière dans le domaine de la production éolienne d'énergie en tant que générateurs
Son utilisation est largement répondue dans les applications industrielles, où entre 40 et 60% d'énergie est consommée dans ce type de charge
Applications
Machines asynchrones
5
4
Principales applications
Application
Machines asynchrones
6
4 Application
Machines asynchrones
7
4
Traction électrique
Application
Machines asynchrones
8
4 Application
Machines asynchrones
9
4 Application
Machines asynchrones
10
4 Construction
un rotor tournant• composé de tôles perforées, empilés pour créer une série d'encoches de rotor,
fournissant un espace pour l'enroulement du rotor
• l'un des deux types d'enroulements du rotor : enroulements triphasés classiques en fil
isolé (rotor bobiné) similaire à l'enroulement du stator
• des barres en aluminium en court-circuit aux extrémités par deux anneaux en
aluminium, formant un circuit en forme de cage d'écureuil (cage d'écureuil)
Deux types de conception de base en fonction de la conception du rotor
• Moteur à cage d'écureuil: barres conductrices prévues dans les fentes et en court-circuit aux
deux extrémités par des anneaux
• Moteur à rotor bobiné: ensemble complet d'enroulements triphasés comme le stator.
Habituellement, raccordé en Y, les extrémités des trois fils du rotor sont reliés à des bagues
collectrices sur l'arbre du rotor. De cette manière, le circuit de rotor est accessible
Machines asynchrones
11
4
La machine asynchrone est composée de deux parties principales:
1) Noyau magnétique
2) Les enroulements
Noyau magnétique : façonne le flux généré par les enroulements entre la partie statique (externe)
et la partie mobile intérieure réalisé avec des aciers laminés séparées par un entrefer :
- Stator: partie externe limitée sur le cadre entourant
- Rotor: partie intérieure reliée à l'arbre de la machine
Construction
Machines asynchrones
12
4
Structure magnétique
Construction
Machines asynchrones
13
4
ailes utiliséscomme dissipateur de chaleur
Dents du stator
Encoches du stator
Encoches du rotor
Dents du rotor
Rayon de l’entrefer
Rotor
Stator
Construction
Machines asynchrones
14
4
Fait de tôles
La culasse de stator est contenu dans un boîtier
externe fait de l'acier en fonte ou en aluminium et
est généralement faite pour servir comme
dissipateur de chaleur pour la machine (ailes) (dans
le cas machines refroidi par un liquide , un circuit est
réalisé pour le fluide refroidissement)
Construction
Machines asynchrones
15
4
Il est pressé et relié à l'arbre au moyen de liaisons mécaniques
Rotor
Fait par tôles
Structure asymétrique
Construction
Machines asynchrones
16
4
Enroulement du stator
Trois phases distribués d’enroulement de fil de cuivre
connexions frontalesLes parties actives des enroulements insérésdans les fentes du stator
Construction
Machines asynchrones
17
4
Les bornes des enroulements sont reliés à un boîtier de connexion externe
Possibilité de Connexions en triangle ou en étoile
Connexions étoile
Connexions triangle
Construction
Machines asynchrones
18
4
Rotor bobiné(a) Trois phases d'enroulement distribué avec le nombre de paire de pôles du stator
reliée à l'extérieur par des contacts rotatifs à glissement
Construction
Machines asynchrones
19
4
Rotor à cage(b) Bobine de Cage: barres conductrices (dans les fentes) court-circuité aux
deux extrémités par des bagues conductrices
Souvent, la cage (cage d'écureuil) est réalisée au moyen d'aluminium moulé sous pression
Anneaux de courts circuit
Barres du rotor
Construction
Machines asynchrones
20
4 Champ tournant
Trois enroulement décalés mécaniquement de 120° et alimentés par une source triphasée
équilibrée donnent lieu à un champ tournant avec comme vitesse de rotation la pulsation
des courants d’alimentation
f la fréquence de la source d’alimentation
p le nombre de paires d’alimentation
60/s
fN tr mn
p
Machines asynchrones
21
4 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
Machines asynchrones
22
4 Champ tournant
Machines asynchrones
23
4 Champ tournant
Machines asynchrones
24
4 Champ tournant
Machines asynchrones
25
4
( ) ( ) ( ) ( )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
ˆsin( )
3ˆ ˆ[0.5 sin( 120 )] [ sin( 120 )]
2
3ˆ ˆ[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
Machines asynchrones
26
4 Champ tournant
1 3 1 3ˆ( ) [ sin( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( )]
4 4 4 4
3 3 3 3ˆ[ 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
ˆ ˆ[1.5 sin( )] [1.5 cos( )]M MB t B t x y
Machines asynchrones
27
4 Champ tournant
Machines asynchrones
28
4
1)- Fonctionnement avec rotor bloqué et à circuit ouvert
enroulement Triphasé du stator alimenté par 3 tensions triphasées équilibrées
Les courants statoriques ont la même fréquence angulaire et formant un système de courantstriphasé équilibré
Le rotor bobiné avec des bornes de circuit ouvert pas de courants dans le rotor
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
29
4
Puisque le rotor ne tourne pas, les enroulements du stator et rotor ont la même position angulaire
phases du stator: U, V, W phases du rotor: U ', V', W '
Rotor
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
30
4
Les courants de stator créent un champ tournant à la vitesse (vitesse de synchronisme)
/s p
p = 1, q = 3 (rotor non tracé pour simplifier)
T=t0 T=t1 T=t2
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
31
4
est le flux tournant qui est lié à la fois aux enroulements du stator et rotoru
varie dans le temps ce qui induit f.é.m. dans les deux enroulementsu
Tous les f.é.m. ont la même qui ne dépend pas du nombre de pôles de la machine
Les f.é.m. sont décalées dans le temps de 120° due au décalage dans l’espace
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
32
4
Avec la position fixe du rotor, le processus est similaire à ce qui se passe dans un transformateur
Fém dans le stator
'( )( ) .4,44. . .S
SS S s U
d te t E j j N f
dt
Flux liés aux enroulements du stator
Nombre équivalent des spires de l’enroulement dans le stator
( )S t
' .sN
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
33
4
Avec la position fixe du rotor, le processus est similaire à ce qui se passe dans un transformateur
Fém dans le rotor
'1( ) .4,44. . .r
rr r r U
de t E j j N f
dt
Flux liés à enroulements du rotor
Nombre équivalent des spires de l’enroulement dans le rotor
( )r t
' .sN
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
34
4
'1 max.4,44. . .r r UE j N f
'
max.4,44. . .s s UE j N f
avec rotor à circuit ouvert et la position fixe, la machine asynchrone se comporte comme un transformateur à vide
La machine est comme un transformateur de champ tournant avec un rapport:s s
r r
NE
NE
Principe de fonctionnement
Le stator et le rotor ont la même fréquence
Machines asynchrones
35
4
2) Fonctionnement avec rotor à circuit ouvert tout en tournant la machine à une vitesse angulaire fixe
Le rotor est entraîné à une vitesse angulaire donnée
La fém du stator ne change pas
La fém du rotor. change suite au mouvement relatif entre le champ et le rotor en rotation
Position relative est mesurée en termes d'angle électrique
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
36
4
Fém du Rotor est :
a une fréquence angulaire différente de celle du stator
r r rE j p
rE
Comme ils n’ ont pas la même fréquence angulaire, il est impossible de les tracer sur le même diagramme
Principe de fonctionnement
sE
Machines asynchrones
37
4
Vitesse de glissement est la vitesse angulaire relative entre le rotor et le champ tournant
rad/sg rp
Les variables électriques dans le rotor (fém et courants) ont une fréquence angulaire égale à :
. . rad/sg rp p
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
38
4
Glissement: c’est la différence 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 différence entre les deux vitesses g = 1 signifie que (rotor bloqué)
s r 0r
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
39
4
Rotor fém
.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-électromotrice induite dans le rotor et les
courants ont une fréquence égale à gf
Si le rotor tourne à la vitesse de synchronisme (g = 0) il n’y a pas de phénomène d'induction (fem induite = 0)
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
40
4
Dans la pratique, les vitesses sont exprimés en (rpm) ou tr/mn
60 60
2. 2.
2
s sp
f
60.
tr/mns
f
p
Avec une fréquence d'alimentation constante la vitesse de synchronisme est constante et dépend du nombre de pôles
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
41
4
Vitesse de synchronisme à la fréquence 50 Hz
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
42
4
Un moteur asynchrone 208 V, 10kW, 4 pôles, 60 Hz, connectés 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 à la charge nominale?
3- Quelle est la fréquence de rotor de ce moteur à la charge nominale?
4- Quel est le couple de l'arbre de ce moteur à la charge nominale?
Exemple
Machines asynchrones
43
4
3) Fonctionnement avec rotor en cc tournant à une vitesse donnée r
Étant donné que le rotor est fermé, une force contre-électromotrice induite peut créer des courants avec une fréquence angulaire
Les courants rotoriques triphasés créent un champ tournant qui tourne à une vitesse par rapport au rotor.
Le rotor tourne à une vitesse par rapport au stator.
g
gp
r
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
44
4
Le champ magnétique tournant produit par le rotor tourne avecla vitesse par rapport au stator
r gp
r rrr s
p pp gg
p p p p
Le champ magnétique tournant produit par le rotor est synchrone avec le
champ magnétique tournant produit par le stator, et donc un couple continu
peut être généré
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
45
4
Le couple produit dépend de l'interaction des trois phases du système composé de stator et de rotor.
Les courants rotoriques sont induits par le champ tournant produit par le stator.
A la vitesse synchrone la fém du rotor est =0 , Les courants induits sont =0 le couple généré est égal à 0.
r s
Le couple est non nul lorsque la vitesses du rotor est différent de la vitesse synchrone machine asynchrone
Principe de fonctionnement
Machines asynchrones
46
4
sI sRfs fsX L
m mX LsV
sE
rRfr frX L
r rE g gE
rI
mI
g
Schéma équivalent
Avec le stator alimenté par 3 tensions triphasés et équilibrées, l'analogie avec le principe de fonctionnement du transformateur, un premier circuit équivalent peut être proposé, avec deux fréquences différentes
Machines asynchrones
47
4
L’inductance de fuite correspond au flux de fuite dans lestator et le rotor (flux qui ne traversent pas le fer)
l'inductance magnétisante tient compte de la présence del'entrefer qui a une haute reluctance magnétique
En comparaison avec les transformateurs, le courantmagnétisant Im n’est pas faible par rapport au courant nominal(réluctance de entrefer).
Signification physique des composants:
Schéma équivalentMoteur asynchrone
Transformateur
,Wb
, .F Atrs
Machines asynchrones
48
4
Le circuit équivalent peut être modifié en ramenant les paramètres du rotor au
stator
Les paramètres du rotor peuvent être ramenés du coté stator en utilisant les
mêmes règles définies dans le cas du transformateur en tenant compte du nombre
de spires équivalent
'
'
r
s
Nm
N
' '
' '
2 2
.
rr r r
frrr fr
EE I m I
m
XRR X
m m
Schéma équivalent
Machines asynchrones
49
4
La fém du rotor peut être écrite sous la forme
'
' '' ' '
' '
'
'
ˆ4,44
ˆ ˆ4,44 . .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 mgE
N
Schéma équivalent
Machines asynchrones
50
4
Le nouveau circuit avec les éléments du rotor ramenés au stator:
sI sRfs 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 à la même fréquencesauf le cas du rotor bloqué (g=1)
Schéma équivalent
Machines asynchrones
51
4
Il est nécessaire de modifier les circuits pour que le stator et le rotor aient la même fréquence.
divisant les quantités du rotor par g, cette manipulation ne va pas changer la valeur du courant du rotor:
La force contre-électromotrice du rotor devient égale à Es
La réactance de fuite du rotor est à la fréquence du stator
'
'' ''
s s
r
rr frfr
gE EI
RR jg Lj L
g
Schéma équivalent
Machines asynchrones
52
4
sI sRfs fsX L
m mX LsV
sE
' /rR g' '
rf rfX g L
mI
Entrefer
Circuit équivalent ramené à la fréquence du stator
La valeur fictive de la résistance du rotor R‘r / g prend en compte toute la
puissance transmise du stator au rotor (également la puissance mécanique)
Schéma équivalent
Machines asynchrones
53
4
La résistance fictive R‘r /g dépend du glissement, et peut être séparé en deux résistances en série
représente les pertes par effet Joule dans les circuits de rotor
est une résistance fictive qui représente la puissance électrique convertie en énergie mécanique
sI sRfs fsX L
m mX LsV
sE
'
rR' '
rf rfX g L
mI
Entrefer ' 1.r
gR
g
'
rR
' 1.r
gR
g
Schéma équivalent
Machines asynchrones
54
4
Pour compléter le circuit équivalent à une seule phase, les pertes fer doivent être prises en compte (stator et rotor)
Les pertes fer dans le stator dépendent de l'amplitude et de la fréquence du champ magnétique tournant, et donc de la force électromotrice du stator ( tension d'alimentation).
au point de fonctionnement normal, les valeurs de g sont très faibles (3 - 5%) et la fréquence du rotor peut être négligée
Les pertes fer dans le rotor sont très petites par rapport à celles du stator et peuvent être négligées
Schéma équivalent
Machines asynchrones
55
4
Circuit équivalent monophasé complet vu du côté du stator
sI sRfs fsX L
mXsVsE
'
rR' '
rf rfX g L'
rI
mI
' 1r
gR
g
feR
feI
Entrefer
feR Résistance fictive représentant les pertes fer
Schéma équivalent
Machines asynchrones
56
4
En raison de la reluctance de l'entrefer, le courant à vide dans les machines à induction I0 est d'environ 20 - 60% du courant nominale (dans les transformateurs ce courant est autour de 1 à 5%)
Le circuit équivalent des machines asynchrones, les paramètres Rs et Xfs ne peuvent pas être déplacés après l'impédance à vide Xm et Rfer pour simplifier les calculs (erreur importante).
Schéma équivalent
Machines asynchrones
57
4
sI sRfs fsX L
mXsVsE
'
rR' '
rf rfX g L'
rI
mI
' 1r
gR
g
feR
feI
EntreferjsP jrP
mPfeP
sP
jsP
feP jrPmecap
tP mP uP
Bilan de puissance
Machines asynchrones
58
4
3 . . 3 . .s s s s s s sP V I Cos U I Cos
Puissance absorbée
Pertes joules au stator
23 . Wjs s sP R I
Bilan de puissance
Machines asynchrones
59
4
2
3 sfe
fe
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
Machines asynchrones
60
4
Puissance convertie en puissance mécanique
le rotor absorbe une partie de la puissance en fonction du
glissement
Qd le rotor est fixe (g = 1) toute la puissance transmise est dissipée dans le rotor
Qd le rotor est mobile (g≠1) la fraction (1-g) / g est convertie en puissance mécanique
' ' 213. .m r r
gP R I
g
W
t jr mP P P
Bilan de puissance
Machines asynchrones
61
4
Couple électromécanique
' ' 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 dépend de la valeur du couple électromagnétique et ne dépend pas de la vitesse du rotor.
.t
P m sT
Bilan de puissance
Machines asynchrones
62
4
Pertes mécaniques dues aux frottements et ventilation - Pmeca
Lorsque la machine fonctionne en moteur, le couple de sortie disponible à l'arbre est égal au couple électromagnétique produit, diminué du couple due aux frottements et de ventilation
utile m fvT T T
Bilan de puissance
Machines asynchrones
63
4
Puissance transmise à l'entrefer:
.t m sP T
'
'2
3.
.
r
tm r
s s
R
P gT I
Le courant du rotor est évaluée à partir d’une phase du circuit équivalent
sI sR fsX
mXsVsE
'
rR'
rfX'
rI
mI
' 1r
gR
g
feR
feI
Le circuit du stator est remplacé par le générateur de Thévenin équivalent
Bilan de puissance
Machines asynchrones
64
4
sI sZ
sV sE
'
rR'
rfX
' 1r
gR
g
0Z
Entrefer
0I
0 //
s s s
fe m
Z R jX
Z R jX
sI eqReqX
sVsE
'
rR'
rfX'
rI
' 1r
gR
g
Entrefer
eqZ 0
0
0
.
//
eq s phase
s
eq s
ZV V
Z Z
Z Z Z
eq eq eqZ R jX
Bilan de puissance
Machines asynchrones
65
4
''
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
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
66
4
Avec une tension d'alimentation fixe (en amplitude et en fréquence), la caractéristique de couple en fonction du glissement peut être déterminé
Fonctionnement en frein hypersynchrone
Fonctionnement en moteur hyposynchrone
Couple maximal
Couple dedémarrage
Couple de freinage maximal (générateur)
Glissement du couple max
Glissement
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
67
4
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 linéairement 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 à g
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
68
4
Commentaires sur la caractéristique du couple
'
2
2'
2'
3. . .
r
m eq
req eq r
R
p gT V
RR X X
g
Le couple a le même signe de g
Le couple est = 0 pour g = 0 et pour g---->
Le couple présente deux valeurs maximales (positive
et une négative) pour les valeurs égales de glissement en valeurs absolues
2VCaractéristique mécanique
Machines asynchrones
69
4
Caractéristique du couple en fonction de la vitesse du rotor
Fonctionnement comme moteur hyposynchrone
Fct en générateurFrein regénératif
Fonctionnement comme frein (frein dissipatif)
Couple maximal
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
70
4
Dans les conditions nominales le glissement est très faible (3-5%): la valeur nominale de la vitesse est proche de la vitesse synchrone.
Exemple
N -point nominal
Pas de charge
Caractéristique mécanique
1500 / min
1450 / min
3.3%
S
r
N tr
N tr
g
Machines asynchrones
71
4
Idéalement la machine tourne à la vitesse synchrone (g = 0)
Dans la pratique, en raison des pertes de frottement et de ventilation, la
valeur de glissement est généralement très faible ( ), mais non nul
à la vitesse synchrone (g = 0), il n’y a pas de mouvement relatif
entre le champ tournant et le rotor : pas de fém induites, et pas de
courant dans le rotor.
Un courant à vide dans le stator (I0) est nécessaire pour maintenir le flux
magnétique tournant et compenser les pertes
Le courant de stator à vide(20 - 60% du courant nominal), il dépend de
l'épaisseur d'entrefer
Conditions à vide
0 0g
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
72
4
2- Condition de rotor ou de départ fixe (g = 1)
Les conditions de démarrage peuvent être analysées au moyen du schéma équivalent
Courant du Rotor avec g = 1:
'
1 22'
eq
r g
eq eq r
VI
R X X
'2
2 2' '
3. . . Nmrd eq
eq r eq r
RpT V
R R X X
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
73
4
La valeur du courant de démarrage est élevé (5 - 10 fois le courant nominal): il
représente le courant maximal que le moteur peut absorber.
La condition de démarrage est critique pour le moteur; certaines techniques sont
adoptées pour réduire les courants de démarrage:
utilisation d’une série de réactance connecté au stator pour réduire le courant
utilisation d'une résistance série connectée au rotor (seulement à bague)
partir avec montage d’enroulements branchés étoile puis
commutation à la connexion triangle
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
74
4
Couple maximal
La valeur de g correspondant au couple maximal (g (Tmax) peut être obtenue par résolution de l'équation:
0T
g
Alors, elle peut être obtenue en utilisant la condition de transfertmaximal de puissance entre le générateur et de la charge: Qui estobtenu lorsque l'impédance interne du générateur est égale àl'impédance de charge
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
75
4
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 Réactance totale
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
76
4
Le couple maximal sera avec
max
N
T
T
maxmax TT g
max
'
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 proportionnelle à la réactance de fuite totale
capacité de surcharge (électromagnétique) du moteur
La capacité de surcharge d’un moteur varie entre 1.5 et 2.5
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
77
4
En augmentant le couple de charge, le moteur ralentit sa vitesse, le glissement du rotor augmente et les courants statoriques et rotoriques augmentent
Au-delà du couple nominal, les pertes joules peuvent provoquer une surchauffe de la machine.
Au-delà du couple maximum, le rotor se arrête.
Couple nominalLe moteur ne dépasse pas sa température limite
Caractéristique mécanique
Machines asynchrones
78
4
Tests sur le moteurAvec le circuit équivalent, il est possible d'étudier le comportement du moteur dans différentes conditions de fonctionnement (alimentation et charge)
Identification des valeurs de paramètre dans le circuit équivalent est nécessaire
Les paramètres du circuit équivalent peuvent être déterminés de deux façons:
Calculés à partir des données de conception (géométrie, tailles, sections, les caractéristiques des matériaux, etc.)
Obtenus à partir des données mesurées dans des essais expérimentaux
Etude expérimentale
Machines asynchrones
79
4
Des essais expérimentaux pour déterminer les paramètres du circuit équivalent
1- Mesure de la résistance de phase de stator par la méthode Volt Ampérmétrique2- Essai en statu quo3- Essai à vide
Indépendamment de la connexion des phases du stator, les paramètres du schéma équivalent d’une phase du stator sont calculés pour un couplage des phases du stator
Etude expérimentale
Machines asynchrones
80
4
Mesure de la résistance d’1 phase du stator par la méthode Volt Ampérmétrique
DC
0,5. dcs
dc
VR
I
Test effectué avec la machine à la température ambiante
Etude expérimentale
Machines asynchrones
81
4
Schéma de mesure pour les essais AC (n-charge et de statu quo)
Alimentation triphasé
Mesure de la tension composée
Moteur asynchrone
Mesure du courant de ligneMesure de la puissance active par la méthode de double wattmètre
Etude expérimentale
Machines asynchrones
82
4
Essai de l'arrêt
Le stator est alimenté par du courant alternatif à une tension beaucoup plus faible que la tension nominale pertes fer très faibles
les paramètres de la branche en shunt du circuit équivalent sont négligés
'
s rmX Z Z
sccI sRsX
sccV
''rr
RR
g'
rfX
fRmX
'
'
cc s r
cc fs fr
R R R
X X X
Etude expérimentale
Machines asynchrones
83
4
La puissance active, Pcc, est tracée en fonction du courant de ligne Iscc
La puissance absorbée Pcc, le courant absorbée Icc, et la tension composée Vcc sont
mesurés
Les résultats obtenus sont ramenée à la température d'essai Tc
Etude expérimentale
Machines asynchrones
84
4
2 2
3. . 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 résistance du rotor est ramenée au stator:
'
r cc sR R R
S’il n’y a pas de données sur les réactances de fuite, On adopter cette hypothèse
0,5. fs fr ccX X X
Etude expérimentale
Machines asynchrones
85
4
La machine est alimentée à la fréquence nominale et le rotor n’est pas liée à unecharge mécanique
L’essai est effectué avec différentes valeurs de tension allant d'une valeur maximale(supérieur à la valeur nominale par certains%) jusqu'à une valeur minimale (ce quipermet la rotation du rotor)
Le couple résistant en raison des frottements et de ventilation est faible par rapportau couple nominal la vitesse est légèrement inférieure à la vitesse desynchronisme ( )
Essai à vide
0g
Etude expérimentale
Machines asynchrones
86
4
0sI sRsX
sV
'
0rR
g
'
rfX
fRmX
0 0rI
0sI sRsX
sVfR
mX
0 0rI
Paramètres non
négligeables
feI mI
0sEfeI
0sI 0sE0ssR I
0sfsjX I
s0V0
mI
Etude expérimentale
Machines asynchrones
87
4
feI
0sI 0sE0ssR I
0sfsjX I
s0V0
mI
Etude expérimentale
Machines asynchrones
88
4
Les pertes dans l’essai à vide (pertes du rotor peuvent être négligées)
0sI sRsX
sVfR
mX
0 0rI
Puissance
absorbéefeI mI
0sE
0jsP
fePfvP
0P
0jsP
fvP
Pertes joules dans le stator
Pertes mécaniques dues aux frottements et ventilation
feP Pertes fer
Etude expérimentale
Machines asynchrones
89
4
Pertes fer et pertes mécaniques
0
2
0 03. .
js
fe fv s s
P
P P P R I
Pour déterminer Rfe il est nécessaire de séparer les pertes fer des pertes mécaniques
Les pertes mécaniques sont indépendantes de la tension d'alimentation ils peuvent être extrapolées à partir de la courbe
0fe fv sP P f V
Etude expérimentale
Machines asynchrones
90
4
Points mesurés
fvP0sV
00
3
ss
UV
fv feP PfeP
La tension minimale d‘essaiVs0, min(le courant augmente)
Etude expérimentale
Machines asynchrones
91
4
Facteur de puissance à vide et à tension nominale
feI
0sI 0sE0ssR I
0sfsjX I
s0V0
mI0
00
03. .n
PCos
V I
La f.e.m. du Stator est obtenue à partir du diagramme de phase en fonctionnement à vide
0 0.s ssn s fsE V R jX I
Etude expérimentale
Machines asynchrones
92
4
La valeur efficace de la fém 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. sfe
fe
ER
P
0
2 2
0
/fe s fe
m s fe
I E R
I I I
2
03. sm
m
EX
I
Etude expérimentale
Machines asynchrones
93
4
Les valeurs de Rfe et Xm dépendent de la saturation magnétique, 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 expérimentale
Machines asynchrones
94
4
Chauffage et l'efficacité (test de charge)
L'objectif principal est de vérifier si le moteur peut donner la puissance nominaleaux conditions nominales et de déterminer son rendement avec différentes conditions de charge
utile
utile
P
P pertes
Le moteur est relié à une charge mécanique avec la possibilité de varier et mesurer le couple résistant et mesurer la vitesse de rotation
RENDEMENT
Machines asynchrones
95
4
Le moteur est porté à des conditions thermiques stables avec la chargemécanique nominale
Lorsque l'état d'équilibre thermique est atteint, le couple résistant estmodifié rapidement avec la séquence de 150%, 125%, 100%, 75%,50%, 25%du couple nominal
Toutes les grandeurs électriques (entrée) et mécanique (sortie)sont mesurées
Le rendement de la machine est calculé en fonction de la charge et lespertes de puissance sont calculées en utilisant le schéma équivalent
RENDEMENT
Machines asynchrones
96
4
utile utile
absorbée utile js jr fe fv ad
P P
P P P P P P P
Padd : pertes supplémentaires causée principalement par les harmoniques du champ magnétique dans l'entrefer (négligée dans le circuit équivalent)
Wadd absorbée js jr fe fv utileP P P P P P P
Pfe et Pfv mesurées lors de l’essai à vide , sont considérés comme constantes lorsque la charge varie,
RENDEMENT
Machines asynchrones
97
4
Le Moteur asynchrone alimentée par une tension efficace constante et à fréquence de tension constante est une machine fonctionnant à vitesse presque constante lorsque la charge varie
La caractéristique mécanique T = f () dans la région stable est très "raide petites variations de la vitesse avec la variations de charge
Au cours des dernières années le moteur asynchrone était principalement utilisé dans les applications à vitesse constante (pompes) alors que les moteurs à courant continu ont été utilisés dans des applications à vitesse variable
Actuellement le moteur asynchrone est utilisé dans de nombreuses applications qui nécessitent une vitesse variable comme une alternative aux moteurs à courant continu
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
98
4
La vitesse du moteur à induction
60.
1 . 1 . tr/mnr s
fg g
p
Méthodes de contrôle de la vitesse du moteur asynchrone
1) Variation du Nombre de paires pôle p2) Variation du glissement g, par:
2.1. Variation de la résistance du rotor (machines à rotor bobiné)2.2. Variation de la tension alimentation (fréquence constante)
3) Variation de la fréquence d’alimentation f
4) 2.2)+3) avec un rapport constant V / f ie flux magnétique constant
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
99
4
1) Variation du nombre de paires de pôles p
Contrôle de la vitesse asynchrone par étapes
Exemple: un ascenseur nécessitant une certaine vitesse de levage et une vitesse faible lorsqu'on se rapproche l'étage de destination
Variation du nombre de Paires de Pôle, Cette variation peut être obtenue en faisant varier la connexion dans les enroulements du stator
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
100
4
Solutions pour varier le nombre de paires de pôles:
(a) Double enroulement du stator: deux enroulements avecdifférents pôles , Nombre de paires sont construits; un seulenroulement est fourni pour régler la vitesse synchrone (solutioncoûteuse)
(b) Décollement du stator simple qui peut être connecté au ppaires de pôles ou 2p paires de pôles (enroulement de Dahlander)
le moteur peut fonctionner à deux vitesses avec unrapport 1:2
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
101
4
Variation de la résistance du rotor (rotor bobiné)
Si le rotor est en court-circuit (résistance rotore R‘r)
Puissance mécanique sur l’arbre
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
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
102
4
Variation de la résistance du rotor (au moyen d'un rhéostat 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 résistance totale du rotor augmente
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
103
4
'r f
m r R RT f
'
r fm r R R
T f
Pertes Joules Rotor
2 2jr tP g P
2 2 2. 1 .m r r tP T g P
Puissance mécanique sur l’arbre 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
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
104
4
L'augmentation de la résistance 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
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
105
4
Contrôle rhéostatique de la vitesse peut être utilisée pour le démarrage du moteur
La méthode rhéostatique est une méthode de dissipation (de faible rendement)
l’ énergie de freinage à dissiper sur un rhéostat externe peut être récupérée par un convertisseur électronique de puissance AC-AC pour atteindre un bon rendement ( cascade hypo-synchrone)
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
106
4
Variation de l’amplitude la tension d'alimentationentre 0 et la valeur nominale, avec une fréquenceconstante
Le glissement du couple maximal reste constantemais le couple maximal varie proportionnellement àla valeur au carré efficace de tension
2.2 Variation de la tension d’alimentation
max
2
'
max/ 3. .2.
eq
C r ft
ft
Vpg R X T
X
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
107
4
La plage de variation de la vitesse est faible; Cependant, cette méthode est utile pour démarrer les moteurs chargés avec un couple résistant qui est fonction de la vitesse (méthode dite soft-start)
Point de fonctionnement
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
108
4
Le moteur est alimenté au stator par l'intermédiaire d'un convertisseur AC-AC qui assure à l'entrée une Tension constante
Le gradateur peut changer seulement la valeur efficace de tension, pas sa fréquence
Le gradateur
Réseau industriel
Convertisseur AC-AC Moteur
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
109
4
La vitesse de rotation synchrone est modifiée (proportionnellement à la fréquence) et la vitesse du rotor varie en conséquence
Si la tension de l'alimentation est maintenue constante, alors le glissement du couple maximal est proportionnelle à et le couple maximal est proportionnelle à :
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
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
110
4
Lorsque la fréquence d'alimentation varie, le point de de la machine change et l'exploitation du matériaux de la machine change aussi
Pour maintenir constante l'exploitation du matériau des quantités nominales doivent être calculées
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)
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
111
4
Corriger l'exploitation = avec couple résistant constant, les courants du moteur et le flux magnétique efficace ne devrait pas changer la lorsque la fréquence varie
Les pertes sont aussi presque constantes; Les pertes fer augmentent lorsque la fréquence augmente
En outre, les tensions et les courants dans le cas de l’alimentation par un onduleur ne sont pas parfaitement sinusoïdale mais contiennent des harmoniques d’ordre importants Augmentation des pertes d'environ 5-10%
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
112
4
Pour maintenir le flux constant, la tension d'alimentation doit varier presque proportionnellement à la fréquence d'alimentation rapport constant V / f
N
,s NV
sV ,s NV
A basse fréquence, l'influence de la chute de tension sur l'impédance de stator ne peut être négligé
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
113
4
Entraînement à vitesse variable du moteur asynchrone
AC/DC DC/AC Moteur Charge
r mT
rT
Ui
Vi
Wi
dcV
Redresseur Onduleur
Système de
contrôle
Transducteurs
, , , ,.....r U V dci i V
Onduleur de
commande
(V,f)
Retour
Alimentation
industrielle
(50 Hz)
Référence
, .....rT
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
114
4
Grâce à l’alimentation par onduleur électrique (peut varier
la tension efficace et la fréquence simultanément), nous
obtenons trois gammes de vitesse de régulation:
a) Variation de la vitesse à couple constant
b) Variation de la vitesse à puissance constante
c) Variation de la vitesse à puissance décroissante
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
115
4
a) Variation de la vitesse à couple constant
La valeur efficace du flux est maintenue constante et égale à sa valeur nominale par l'application du V /f selon la loi V/f = const.
La tension d'alimentation est régulée (avec la fréquence) de 0 à la tension maximale qui peut être donné par l'onduleur: Tension de base Vbase
A la valeur Vbase, la valeur de fréquence est fbase selon la loi V / f
La même valeur de couple est obtenue à chaque fréquence avec le même glissement
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
116
4
Caractéristiques du couple obtenue pour des fréquences différentes avec le V /f selon la loi V / f = const. On a des courbes parallèles
1r 1s2s2r
Caractéristiques du couple mT
0
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
117
4
Le couple maximal est constant2
max
3. .
2
eq
ft
CsteVp
TL
Variation à V / f = cst. permet à la machine de démarrer avec un couple de démarrage supérieur au couple maximal
Contrôle de la vitesse
Machines asynchrones
118
4
La tension fournie par l'onduleur est limitée au valeur efficace maximale Vbase (entraînement en tension de saturation )
augmentation de la fréquence au-delà fbase (fbase=f(wbase)) signifie ne pas tenir compte de la loi V / f, provoquant une réduction du flux (de défluxage) r
b) Variation de la vitesse à puissance constante
'2.
2
s basesu
bases
E V constE
fN
Contrôle de la vitesse