Machines Asynchrones

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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)


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


Electromagntism

e42

3

Vitesse de synchronisme la frquence 50 Hz


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?


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Electromagntism

e80

3

Plaque signaltique d'un moteur induction 3 phases colle sur le stator


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


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


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


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


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


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


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


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)


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


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


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


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


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)


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%


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


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


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


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


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


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


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


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


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