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Les machines asynchrones
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Mat de 1893, 7,5 kW 1700 tr/min, 50 V
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Mat 0,75 kW 1905-19121912-1922 1922-1933 1933-1946 1946-1961 1961-1970 1970-…
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Les machines asynchrones
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Les machines asynchrones sont surtout utilisées comme moteurs. 80% des moteurs électriques sont des moteurs asynchrones Les moteurs asynchrones sont très robustes Leur gamme de puissance s’étale de quelques watts à une dizaine de mégawatts.
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Constitution de la machine asynchrone
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La machine asynchrone est constituée d ’un stator semblable à celui d ’une machine synchrone. Ce stator, alimenté par des courants triphasés, produit un champ magnétique tournant (cf th de Ferraris).
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Le stator
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Plaque à bornes Plaque signalétique
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Carcasse usinée
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Stator avant bobinage
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Stator après bobinage
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Le rotor
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Le rotor est constitué d ’un ensemble de conducteurs en court-circuit appelé « cage d ’écureuil » Rotor en cage d ’écureuil
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Cage d ’écureuil en aluminium moulé
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Rotor en cage d ’écureuil
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Rotor bobiné rhéostat
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les 3 bagues d ’un rotor bobiné
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La plaque signalétique
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Plaque signalétique cos puissancevitesse nominaleFréquence des courants statoriques rendementnombre de phases
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Plaque signalétique tension maximum aux bornes d ’un enroulement tension maximum entre l ’extrémité d ’un enroulement et le neutre
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Plaque signalétique intensité normale absorbée sur les lignes pour un couplage triangle intensité normale absorbée sur les lignes pour un couplage étoile Température maximale d ’utilisation
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Plaque signalétique classe de l ’isolementService continu
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Plaque signalétique indice de protection IP
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Indice de protection IP premier chiffre = degré de protection des personnes contre l’accès aux parties dangereuses et la protection des matériels contre la pénétration des corps étrangers deuxième chiffre =degré de protection contre les effets nuisibles de la pénétration de l’eau protection maximum = IP 66 IP 54 = protection contre la pénétration des poussières et protection contre les projections d ’eau
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Plaque signalétique
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IP 55 = protection contre la pénétration des poussières et protection contre les jets d ’eau
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Plaque signalétique
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plaque à bornes Disposition des enroulements du stator à partir de la plaque à bornes lamelle de cuivre
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1 2 3 Couplage en étoile
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1 2 3 Couplage en triangle
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Principe de fonctionnement de la machine asynchrone
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N N S S Stator tétrapolaire par exemple
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N N S S
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N N S S rotor
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N N S S
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N N S S S N S N
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N N S S S N S N
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N N S stator S Le pôle nord stator tire le pôle sud rotor Le pôle sud stator repousse le pôle sud rotor rotor Mise en rotation du rotor
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N N S S Apparition des pôle dans le rotor Le flux diminue
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N N S S Apparition des pôle dans le rotor flux rotorique induit courant rotorique induit S
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Sur la périphérie du rotor, il y a nécessairement autant de pôles que sur le stator; cela résulte de leur nature : ce sont des pôles induits Ces pôles tournent à la même vitesse de rotation que ceux du stator L ’attraction/répulsion mutuelle entre pôles statoriques et rotoriques développe le couple moteur; ce couple est le couple électromagnétique
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Le couple électromagnétique résulte des courants induits, et donc des variations de flux. Si le rotor tourne à la même vitesse que le stator, il n ’y a plus de variation de flux. Donc le rotor ne peut tourner qu’à une vitesse inférieure à celle du champ statorique. La vitesse de synchronisme ne peut en aucun cas être atteinte (en fonctionnement moteur). D’où le nom de machine asynchrone.
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Le rotor tourne à une vitesse Nr<Ns inférieure à celle du champ statorique. Le rotor glisse donc par rapport à ses propres pôles. Ce glissement provoque une perte d ’énergie qui lui est proportionnelle.
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Comparaison mécanique N N S S S S N N rotor
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Comparaison mécanique N N S S S S N N rotor ’ Entraînement par friction, (embrayage)
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Bilan de puissance du moteur asynchrone
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Puissance absorbée Pa=3.V 1.J 1.cos 1 Pertes Joule stator Pertes magnétiques stator Puissance transmise au rotor Pe= Ce.(2 .Ns) Pertes Joule rotor Pertes magnétiques rotor 0 Puissance mécanique P m = Ce.(2 .Nr) Pertes mécaniques Puissance utile Pu= Cu.(2 .Nr)
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Puissance absorbée Pa=3.V 1.J 1.cos 1 Pertes Joule stator Pertes magnétiques stator Puissance transmise au rotor Pe= Ce.(2 .Ns) Pertes Joule rotor Pertes magnétiques rotor 0 Puissance mécanique P m = Ce.(2 .Nr) Pertes mécaniques Puissance utile Pu= Cu.(2 .Nr) stator rotor
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La transmission de puissance au rotor se fait avec perte de vitesse mais à couple constant Puissance absorbée Pa=3.V 1.J 1.cos 1 Pertes Joule stator Pertes magnétiques stator Puissance transmise au rotor Pe= Ce.(2 .Ns) Pertes Joule rotor Pertes magnétiques rotor 0 Puissance mécanique P m = Ce.(2 .Nr) Pertes mécaniques Puissance utile Pu= Cu.(2 .Nr)
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Puissance transmise au rotor Pe= Ce.(2 .Ns) Pertes Joule rotor Pertes magnétiques rotor 0 Puissance mécanique P m = Ce.(2 .Nr) La différence de puissance est perdue par effet Joule dans le rotor P jr = C e.2 .N s -C e. 2 .Nr = C. 2 .(N s -N r ) Introduisons le glissement : g = Ns - Nr Ns
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p jr = g. 2 .C e.N s = g.P e Rendement : = Pu Pa Pm Pe = N Ns = 1 - g << N Ns = 1 - g Pu Pm Pe Pa < Pm Pe =..
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Modélisation de la machine asynchrone Etablissement du modèle électrique d ’une phase de la machine asynchrone
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La machine asynchrone est un transformateur à champ tournant. Soit I 1 le courant d ’une phase statorique, soit I 2 le courant d ’une phase rotorique. Ces courants engendrent des forces magnétomotrices tournantes de vitesse Ns : n’ 1 I 1 et n’ 2 I 2, n’ 1 et n’ 2 étant les nombres de spires de chaque enroulement corrigés par les coefficients de Kapp.
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R1R1 I 1F I 10 n’ 1 I1I1 l1l1 stator = primaire R2R2 n’ 2 l2l2 rotor = secondaire
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Quelle est la fréquence des courants rotorique ? La vitesse relative de l ’induction statorique / au rotor est : Ns - Nr = g. Ns Le rotor ayant p paires de pôles, la fréquence des f.é.m. rotoriques est donc : = (2 .f)/p f r = p. (g.Ns) Or Ns = f/p Donc f r = g.f
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0 = j n ’ 2 - j l 2 I 2 - R 2 I 2 g V 1 = j n ’ 1 + j l 1 I 1 + R 1 I 1 Pour une phase du stator : V 2 = 0 = j n ’ 2 (g ) - j (g ) l 2 I 2 - R 2 I 2 Pour une phase du rotor :
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R1R1 I 1F I 10 n’ 1 I1I1 l1l1 stator = primaire R2R2 n’ 2 l2l2 rotor = secondaire gg
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R1R1 I 1F I 10 n’ 1 I1I1 l1l1 stator = primaire R 2 /g n’ 2 l2l2 rotor = secondaire I2I2
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R 1 (n ’ 2 /n ’ 1 ) 2 I 1F I 10 n’ 1 I1I1 stator = primaire R 2 /g n’ 2 lsls rotor = secondaire I2I2 Pertes fer Pertes Joule stator Pe
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Couple et courant à glissement faible
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On suppose : R 2 /g >> l s et on néglige R 1 (n ’ 2 /n ’ 1 ) 2 I 1F I 10 n’ 1 I1I1 R 2 /g n’ 2 I2I2 Le schéma équivalent devient :
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I 1F I 10 I1I1 R 2 /g I2I2 Soit : I 2 = n 2 ’ n 1 ’ V1V1 g R2R2 2 I 1 = I 1v + n 2 ’ n 1 ’ V1V1 g R2R2
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I 10 I 1F I 1V V1V1 2 n 2 ’ n 1 ’ V1V1 g R2R2 I1I1 11
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I 10 I 1F I 1V V1V1 2 n 2 ’ n 1 ’ V1V1 g R2R2 I1I1 11 Si N augmente : g diminue
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I 10 I 1F I 1V V1V1 2 n 2 ’ n 1 ’ V1V1 g R2R2 I1I1 11 Si N diminue, g augmente
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P e = 3 R2R2 g I22I22 = C e Soit : = 3 R2R2 g n 2 ’ n 1 ’ V1V1 g R2R2 2 2 2 2 n 2 ’ 2 2 C e = 3 n 1 ’ V1V1 g R2R2 ss = k V 1 2 g R2R2 CeCe N NsNs g=0 g=1
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3 MAT de 0,18 kW à 45 kW
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Couple et courant à fort glissement
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R 2 /g R 1 (n ’ 2 /n ’ 1 ) 2 I 1F I 10 n’ 1 I1I1 n’ 2 lsls I2I2 Considérant que R1R1 n 2 ’ n 1 ’ 2 << j lsj ls I 2 = n 2 ’ n 1 ’ V1V1 g R2R2 1 R1R1 n 2 ’ n 1 ’ 2 + + j lsj ls I 2 = n 2 ’ n 1 ’ V1V1 g R2R2 1 + j lsj ls
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n 2 ’ 2 2 C e = 3 n 1 ’ V1V1 ss g R2R2 1 + 2 ls22 ls2 2 g R2R2 n 2 ’ 2 2 C e = 3 n 1 ’ V1V1 ss g l s R2R2 1 + ls ls 1 R2R2
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ls ls R2R2 g 0 = C e est max pour g = g 0 soit C e max = K V 1 2 2 2 C e = V1V1 g 1 + g g0g0 g0g0 K.. k V 1 2 f 2. 2 = = k ’. V12V12 f2f2
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g << g 0 C e = K V 1 2 g g0g0 g0g0 g g0g0 g >> g 0 C e = K V 1 2 g CeCe NsNs
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zone de fonctionnement en générateur zone de fonctionnement en moteur NsNs N CeCe g =1 g = 0 C max
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Influence d ’une variation de la tension d ’alimentation statorique sur la caractéristique mécanique
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N CeCe C max (V 1 =U) C max (V1=V) NsNs
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N CeCe NsNs couple au démarrage en Y couple au démarrage en
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KM3 KM1 KM2 KM1 M 3 ~ Démarreur étoile/triangle
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Influence d ’une variation de la fréquence des tensions statoriques
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50 25 75 100 CeCe N V/f = cte C max = cte
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Influence d ’une variation de la résistance rotorique sur la caractéristique mécanique
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N CeCe R2R2 R ’ 2 > R 2 R ’’ 2 > R ’ 2 C max =cte
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N R2R2 R ’’’ 2 R ’’’ 2 + R 2 couple au démarrage CeCe
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N CeCe R ’’ 2 + R 2 R ’’ 2 R2R2
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CeCe R ’ 2 R ’ 2 + R 2 R2R2
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CeCe R2R2 R2R2
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N R2R2 R ’’’ 2 R ’’’ 2 + R 2 couple au démarrage CeCe couple résistant
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N CeCe C mot - C résist = J dd dt couple résistant Vitesse atteinte = 0
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N CeCe R ’’ 2 + R 2 R ’’ 2 R2R2 couple résistant
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N CeCe C mot - C résist = J dd dt R ’’ 2 + R 2 couple résistant Vitesse atteinte = 0
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CeCe R ’ 2 R ’ 2 + R 2 R2R2
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N CeCe couple résistant C mot - C résist = J = 0 C mot - C résist = J dd dt >0 C mot - C résist = J dd dt >0 C mot - C résist = J dd dt >0 C mot - C résist = J dd dt >0 C mot - C résist = J dd dt >0 C mot - C résist = J dd dt >0 C mot - C résist = J dd dt >0
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CeCe R2R2 R2R2 couple résistant
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N CeCe C mot - C résist = J dd dt R ’ 2 + R 2 couple résistant R2R2 = 0
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Freinage du moteur asynchrone
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Lors de l ’arrêt d ’une machine, il est souvent nécessaire de réduire le temps de décélération dû à la seule inertie des parties tournantes. Le freinage électrique offre l ’avantage de ne mettre en œuvre aucune pièce d ’usure. Dans certains cas, l ’énergie mécanique récupérée peut être réinjectée sur le réseau électrique.
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Freinage du moteur asynchrone Freinage par injection de courant continu
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Freinage par injection de courant continu d ’un moteur à cage d ’écureuil : M 3 ~ freinage M 3 ~ fonctionnement
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Freinage par injection de courant continu CeCe N 0 couple de freinage
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Réglage du freinage par injection de courant continu d ’un moteur à cage d ’écureuil : CeCe N 0 couple de freinage
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M 3 ~ Freinage par injection de courant continu d ’un moteur à rotor bobiné M 3 ~ démarrage M 3 ~ fonctionnement M 3 ~ freinage
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Réglage du freinage par injection de courant continu d ’un moteur à rotor bobiné : CeCe N 0 couple de freinage
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Freinage du moteur asynchrone Freinage par contre courant
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M 3 ~ Freinage par contre-courant d ’un moteur à rotor bobiné M 3 ~ démarrage M 3 ~ fonctionnement M 3 ~ freinage
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Freinage en contre courant d ’un moteur à cage M 3 ~ fonctionnement M 3 ~ freinage
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Freinage par contre-courant couple de freinage CeCe N
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Freinage du moteur asynchrone Freinage hyper synchrone
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zone de fonctionnement en générateur zone de fonctionnement en moteur NsNs N CeCe g =1 g = 0 C max couple de freinage Freinage hyper synchrone ou « naturel »
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CeCe N0 couple de freinage N ’ N ’’ De l ’utilité de réduire la résistance insérée au rotor lors du freinage hyper synchrone :
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That’s all Folks !
