Chapitre 6 MACHINES ASYNCHRONES - semalam.orgsemalam.org/wp-content/uploads/2017/06/chapitre-6-machines... · Chapitre 6 2016/2017 MACHINES ASYNCHRONES. Machines asynchrones 2 4 Introduction

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


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


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


5

4

Principales applications

Application


6

4 Application


7

4

Traction électrique

Application


8

4 Application


9

4 Application


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


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


12

4

Structure magnétique

Construction


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


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


15

4

Il est pressé et relié à l'arbre au moyen de liaisons mécaniques

Rotor

Fait par tôles

Structure asymétrique

Construction


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


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


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


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


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


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


22

4 Champ tournant


23

4 Champ tournant


24

4 Champ tournant


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


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


27

4 Champ tournant


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


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



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



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



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



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



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


Le stator et le rotor ont la même fréquence


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



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


sE


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



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



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)



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



41

4

Vitesse de synchronisme à la fréquence 50 Hz



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


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



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



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



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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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



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



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


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



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


1500 / min

1450 / min

3.3%

S

r

N tr

N tr

g


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



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



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



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



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



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



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



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


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



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



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



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



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



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



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



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



87

4

feI

0sI 0sE0ssR I

0sfsjX I

s0V0

mI



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



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



90

4

Points mesurés

fvP0sV

00

3

ss

UV

fv feP PfeP

La tension minimale d‘essaiVs0, min(le courant augmente)



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



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



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



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


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


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


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


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



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



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



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



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



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



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



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)



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



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



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



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



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)



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%



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



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



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



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



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



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



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


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Chapitre 6 MACHINES ASYNCHRONES - semalam.orgsemalam.org/wp-content/uploads/2017/06/chapitre-6-machines... · Chapitre 6 2016/2017 MACHINES ASYNCHRONES. Machines asynchrones 2 4 Introduction