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Chapitre

5

Machines électriquesLST GESA

MACHINES ASYNCHRONES

Machines asynchrones

2

5 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- La vitesse doit être contrôlée par un mécanisme externe lorsque la machine

est connecté à une source à fréquence fixe


3

5 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).

MachineAsynchrone

Pertes• Cuivre (Joule)• Fer (magnétiques)• Mécaniques

Energie Electrique

Energie Mécanique


4

5

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% de la consommation d'énergie est consommée dans ce type de charge

Application


5

5

Principales applications

Application


6

5 Application


7

5

Traction électrique

Application


8

5 Application


9

5 Application


10

5 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 sontreliés à des bagues collectrices sur l'arbre du rotor. De cette manière, le circuit derotor est accessible


11

5

La machine asynchrone est composée de deux parties principales:1) Noyau magnétique2) Les enroulements

Noyau magnétique : façonne le flux généré par les enroulements entre la partie statique (externe) et la partie mobile intérieure réalisée 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

5

Structure magnétique

Construction


13

5

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

5

Fait de tôles

La culasse de stator est contenudans un boîtier externe fait del'acier en fonte ou en aluminium etest généralement faite pour servircomme dissipateur de chaleur pourla machine (ailes) (dans le cas machinesrefroidi par un liquide , un circuit est réalisé pour le

fluide refroidissement)

Construction


15

5

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

Rotor

Fait par tôles

Structure asymétrique

Construction


16

5

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

5

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

5

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 en rotation

Construction


19

5

Rotor à cage(b) Bobine de Cage: barres conductrices (dans les fentes) court-circuité auxdeux extrémités par des bagues conductrices

Souvent, la cage (cage d'écureuil) est réalisé au moyen d'aluminium moulé sous pression

Anneaux de courts circuit

Barres du rotor

Construction


20

5


21

5 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 /sfN tr mn

p


22

5 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


23

5 Champ tournant


24

5 Champ tournant


25

5 Champ tournant


26

5

( ) ( ) ( ) ( )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 )]23ˆ 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


27

5 Champ tournant

1 3 1 3 ˆ( ) [ sin( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( )]4 4 4 4

3 3 3 3 ˆ[ 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


28

5 Champ tournant


29

5

1)- Fonctionnement avec rotor bloqué et à circuit ouvert

enroulement Triphasé du stator alimenté par 3 tensionstriphasées équilibrées

Les courants statoriques ont la même fréquence angulaire etformant un système de courants triphasé équilibré

Le rotor bobiné avec des bornes de circuit ouvert pasde courants dans le rotor

Principe de fonctionnement


30

5

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



31

5

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



32

5

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 enroulements

u

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



33

5

Avec la position fixe du rotor, le processus est similaire à ce qui se passe dans un transformateur

Fém dans le stator

'( )( ) .4, 44. . .SSS S s U

d te t E j j N fdt

Flux liés aux enroulements du stator

Nombre équivalent des spires de l’enroulement dans le stator

( )S t

' .sN



34

5

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 Ude t E j j N fdt

Flux liés à enroulements du rotor

Nombre équivalent des spires de l’enroulement dans le rotor

( )r t

' .sN



35

5

'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 transformateurde champ tournant avec un rapport:

s s

r r

NENE


Le stator et le rotor ont la même fréquence


36

5

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



37

5

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


38

5

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



39

5

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



40

5

Rotor fém

.2. .

r r r

r

E j pp 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)



41

5

Dans la pratique, les vitesses sont exprimés en (rpm) ou tr/mn

60 602. 2.

2

s s pf

60. tr/mnsf

p

Avec une fréquence d'alimentation constante la vitesse de synchronisme est constante et dépend du nombre de pôles



42

5

Vitesse de synchronisme à la fréquence 50 Hz



43

5

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


44

5

1.

2.

3.

4.

60 60 (60) 18002

esync

f xn rpmP p

(1 )(1 0.05) 1800 1710

m sn s nrpm

0.05 60 3r ef gf Hz

260

10 746 / 41.7 .1710 2 (1/ 60)

out outload

mm

P Pn

hp watt hp N m

Solution


45

5

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



46

5

Le champ magnétique tournant produit par le rotor tourne avecla vitesse par rapport au statorr g

p

r rrr s

p pp ggp p p p

Le champ magnétique tournant produit par le rotorest synchrone avec le champ magnétique tournantproduit par le stator, et donc un couple continu peutêtre généré



47

5Le 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



48

5

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


49

5

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


50

5

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

NmN

' '

' '2 2

.

rr r r

frrr fr

EE I m Im

XRR Xm m

Schéma équivalent


51

5

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 gfN NE N gf g N fN N

N gEN

''

's

r r sr

NE E mgEN

Schéma équivalent


52

5

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


53

5

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 sr

rr frfr

g E EIRR jg L j Lg

Schéma équivalent


54

5

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


55

5

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.rgR

g

'rR

' 1.rgR

g

Schéma équivalent


56

5

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


57

5

Circuit équivalent monophasé complet vu du côté du stator

sI sRfs fsX L

mXsV sE

'rR' '

rf rfX g L'rI

mI

' 1r

gRgfeR

feI

Entrefer

feR Résistance fictive représentant les pertes fer

Schéma équivalent


58

5

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 les 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


59

5

sI sRfs fsX L

mXsV sE

'rR' '

rf rfX g L'rI

mI

' 1r

gRgfeR

feI

EntreferjsP jrP

mPfeP

sP

jsPfeP jrP mecap

tP mP uP

Bilan de puissance


60

5

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


61

5

2

3 sfe

fe

EPR

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


62

5

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 rgP R I

g

W

t jr mP P P

Bilan de puissance


63

5

Couple électromécanique

' ' 213. .

N.mr r

mm

r r

g R IP gT

1r sg

'' 23. .

tP= N.m

rr

ms s

R IgT

La puissance transmise du stator au rotor dépend de la valeur du couple électromagnétique et ne dépend pas de la vitesse du rotor.

.tP m sT

Bilan de puissance


64

5 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


65

5

Puissance transmise à l'entrefer:

.t m sP T

'

'23.

.

r

tm r

s s

RP 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

gRgfeR

feI

Le circuit du stator est remplacé par le générateur de Thévenin équivalent

Bilan de puissance


66

5

sI sZ

sV sE

'rR'

rfX

' 1r

gRg0Z

Entrefer

0I0 //

s s s

fe m

Z R jX

Z R jX

sI eqReqX

sVsE

'rR'

rfX'rI

' 1r

gRg

Entrefer

eqZ 0

0

0

.

//

eq s phases

eq s

ZV VZ Z

Z Z Z

eq eq eqZ R jX

Bilan de puissance


67

5

' '

2' 2'( )

eq eqr r

eq rr

eq eq r

VVI IZ Z g RR X X

g

s p

'

22' 2'

3. . .

r

m eq

req eq r

Rp gT V

RR X Xg

Caractéristique mécanique


68

5Avec 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 hyporsynchrone

Couple maximal

Couple dedémarrage

Couple de freinage maximal (générateur)

Glissement du couple max

Glissement



69

5

Limite pour g 0

'

22

2 '0 ' 2'

3. . . 3. . .

r

eqm eqg

rreq r

RVp pgT V gRR X X

g

Pour les faibles valeurs de g, le couple varie linéairement avec g

Limite pour g

'

22 2'

3. . .

r

m eqgeq eq r

Rp gT V

R X X

Pour les grandes valeurs de g, le couple est inversement proportionnel à g



70

5

Commentaires sur la caractéristique de couple

'

22' 2'

3. . .

r

m eq

req eq r

Rp gT V

RR X Xg

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

2V



71

5

Caractéristique du couple en fonction de la vitesse du rotorFonctionnement comme moteur hyposynchrone

Fct en générateurFrein regénératif

Fonctionnement comme frein (frein dissipatif)

Couple maximal



72

5Dans 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 / min1450 / min

3.3%

S

r

N trN trg


73

5

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 de charge (20 - 60% du courant nominal), il dépend de

l'épaisseur d'entrefer

Conditions à vide

0 0g



74

5

2- Condition de rotor ou de départ fixe (g = 1)

Les conditions de démarrage peuvent être analysées au moyen de lacircuit équivalent

Courant du Rotor avec g = 1:

'

1 22 '

eqr g

eq eq r

VI

R X X

'2

2 2' '3. . . Nmr

d eq

eq r eq r

RpT VR R X X



75

5

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



76

5

Couple maximal

La valeur de g correspondant au couple maximal (g (Tmax) peut être obtenue par résolution de l'équation:

0Tg

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



77

5

Transfert de puissance maximale

sI eqR eqX

sV

'rR

g'rfX

'eq frZ jX

=

max

' 22 'req eq rf

T

R R X Xg

max

'

22 '

rT

eq eq rf

RgR X X

'

eq fs

eq fs rf ft

X X

R X X X

max

'r

Tft

RgX

ftX Réactance totale


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