Machines électriques LST GESA. Chapitre MACHINES ASYNCHRONES

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1 Machines électiques LST GESA Chapite 5 MACHINES ASYNCHRONES

2 Intoduction - Les moteus asynchones sont féquemment utilisés en industie : - Nikola Tesla in Ne nécessite pas de balais - Utilisé dans 1/3 de la consommation électique - Seul le stato est elié à l alimentation - Design simple - Coût Faible - Maintenance simple et moins couteuse - Lage gamme de puissance jusqu au 10MW - Toune avec la même vitesse pou toutes types de chage - Sa vitesse dépend de la féquence de la souce d alimentation, pas facile d avoi un contôle de la vitesse et ce qui nécessite un système d électonique de puissance à féquence vaiable - Consommation de l énegie éactive - La vitesse doit ête contôlée pa un mécanisme extene losque la machine est connecté à une souce à féquence fixe 2

3 Analyse fonctionnelle La machine asynchone (MAS) est un convetisseu électomécanique évesible. Le plus souvent, cette convesion est utilisée dans le sens Moteu. Enegie Electique Machine Asynchone Enegie Mécanique Petes Cuive (Joule) Fe (magnétiques) Mécaniques Moteu Asynchone : entaînements industiels, applications domestiques. Généatice Asynchone : Poduction de l énegie électique (éoliennes, mini-centale hydauliques). Fonctionnement en fein (écupéation de l énegie). 3

4 Application Les machines asynchones sont pincipalement utilisées comme moteus électiques une application paticulièe dans le domaine de la poduction éolienne dénegie en tant que généateus son utilisation est lagement épondue dans les applications industielles, où ente 40 et 60% de la consommation dénegie est consommée dans ce type de chage 4

5 Application Pincipales applications 5

6 Application 6

7 Application Taction électique 7

8 Application 8

9 Application 9

10 Constuction un oto tounant composé de tôles pefoées, empilés pou cée une séie dencoches de oto, founissant un espace pou lenoulement du oto lun des deux types denoulements du oto : enoulements tiphasés classiques en fil isolé (oto bobiné) similaie à lenoulement du stato des baes en aluminium en cout-cicuit aux extémités pa deux anneaux en aluminium, fomant un cicuit en fome de cage décueuil (cage décueuil) Deux types de conception de base en fonction de la conception du oto Moteu à cage décueuil: baes conductices pévues dans les fentes et en coutcicuit aux deux extémités pa des anneaux Moteu à oto bobiné: ensemble complet denoulements tiphasés comme le stato. Habituellement, accodé en Y, les extémités des tois fils du oto sont eliés à des bagues collectices su labe du oto. De cette manièe, le cicuit de oto est accessible 10

11 Constuction La machine asynchone est composée de deux paties pincipales: 1) Noyau magnétique 2) Les enoulements Noyau magnétique : façonne le flux généé pa les enoulements ente la patie statique (extene) et la patie mobile intéieue éalisée avec des acies laminés sépaées pa un entefe : - Stato: patie extene limitée su le cade entouant - Roto: patie intéieue eliée à labe de la machine 11

12 Constuction Stuctue magnétique 12

13 Constuction Stato ailes utilisés comme dissipateu de chaleu Roto Rayon de l entefe Dents du oto Encoches du oto Encoches du stato Dents du stato 13

14 Constuction Fait de tôles La culasse de stato est contenu dans un boîtie extene fait de lacie en fonte ou en aluminium et est généalement faite pou sevi comme dissipateu de chaleu pou la machine (ailes) (dans le cas machines efoidi pa un liquide, un cicuit est éalisé pou le fluide efoidissement) 14

15 Constuction Roto Fait pa tôles Il est pessé et elié à labe au moyen de liaisons mécaniques Stuctue asymétique 15

16 Constuction Enoulement du stato Tois phases distibués d enoulement de fil de cuive connexions fontales Les paties actives des enoulements inséés dans les fentes du stato 16

17 Constuction Les bones des enoulements sont eliés à un boîtie de connexion extene Possibilité de Connexions en tiangle ou en étoile Connexions étoile Connexions tiangle 17

18 Constuction Roto bobiné (a) Tois phases denoulement distibué avec le nombe de paie de pôles du stato eliée à lextéieu pa des contacts otatifs à glissement en otation 18

19 Constuction Roto à cage (b) Bobine de Cage: baes conductices (dans les fentes) cout-cicuité aux deux extémités pa des bagues conductices Souvent, la cage (cage décueuil) est éalisé au moyen daluminium moulé sous pession Baes du oto Anneaux de couts cicuit 19

20 20

21 Champ tounant Tois enoulement décalés mécaniquement de 120 et alimentés pa une souce tiphasée équilibée donnent lieu à un champ tounant avec comme vitesse de otation la pulsation des couants d alimentation N s 60 f p t / mn f la féquence de la souce d alimentation p le nombe de paies d alimentation 21

22 Vitesse de synchonisme 2p 50 Hz 60 Hz

23 Champ tounant 23

24 Champ tounant 24

25 Champ tounant 25

26 Champ tounant B ( t) B ( t) B ( t) B ( t) net a b c B sin( t) 0 B sin( t 120 ) 120 B sin( t 240) 240 B M M M M sin( t)ˆ x 3 [0.5B sin( 120 )] ˆ M t x [ BM 2 sin( t 120 )] yˆ 3 [0.5B sin( 240 )] ˆ M t x [ BM 2 sin( t 240 )] yˆ 26

27 Champ tounant Bnet ( t) [ BM sin( t) BM sin( t) BM cos( t) BM sin( t) BM cos( t)]ˆ x [ BM sin( t) BM cos( t) BM sin( t) BM cos( t)]ˆ y [1.5 B sin( t)] xˆ [1.5B cos( t)] yˆ M M 27

28 Champ tounant 28

29 Pincipe de fonctionnement 1)- Fonctionnement avec oto bloqué et à cicuit ouvet enoulement Tiphasé du stato alimenté pa 3 tensions tiphasées équilibées Les couants statoiques ont la même féquence angulaie et fomant un système de couants tiphasé équilibé Le oto bobiné avec des bones de cicuit ouvet de couants dans le oto pas 29

30 Pincipe de fonctionnement Puisque le oto ne toune pas, les enoulements du stato et oto ont la même position angulaie phases du stato: U, V, W phases du oto: U, V, W Roto 30

31 Pincipe de fonctionnement Les couants de stato céent un champ tounant à la vitesse synchonisme) s / p (vitesse de p = 1, q = 3 (oto non tacé pou simplifie) T=t0 T=t1 T=t2 31

32 Pincipe de fonctionnement u est le flux tounant qui est lié à la fois aux enoulements du stato et oto u vaie dans le temps ce qui induit f.é.m. dans les deux enoulements Tous les f.é.m. ont la même nombe de pôles de la machine qui ne dépend pas du Les f.é.m. sont décalées dans le temps de 120 due au décalage dans l espace 32

33 Pincipe de fonctionnement Avec la position fixe du oto, le pocessus est similaie à ce qui se passe dans un tansfomateu Fém dans le stato d ( t) e t E j j N f dt S S ( ) S S.4,44. s.. U ( t S ) Flux liés aux enoulements du stato. N s Nombe équivalent des spies de l enoulement dans le stato 33

34 Pincipe de fonctionnement Avec la position fixe du oto, le pocessus est similaie à ce qui se passe dans un tansfomateu Fém dans le oto d e t E j j N f dt ( ) 1.4,44... U ( t) Flux liés à enoulements du oto. N s Nombe équivalent des spies de l enoulement dans le oto 34

35 Pincipe de fonctionnement E j N f s.4, 44. s.. U max E j.4, 44. N. f. 1 U max avec oto à cicuit ouvet et la position fixe, la machine asynchone se compote comme un tansfomateu à vide La machine est comme un tansfomateu de champ tounant avec un appot: E E s N N s Le stato et le oto ont la même féquence 35

36 Pincipe de fonctionnement 2) Fonctionnement avec oto à cicuit ouvet tout en tounant la machine à une vitesse angulaie fixe Le oto est entaîné à une vitesse angulaie donnée La fém du stato ne change pas La fém du oto. change suite au mouvement elatif ente le champ et le oto en otation Position elative est mesuée en temes dangle électique 36

37 Pincipe de fonctionnement Fém du Roto est : E j p E a une féquence angulaie difféente de celle du stato E s Comme ils n ont pas la même féquence angulaie, il est impossible de les tace su le même diagamme 37

38 Pincipe de fonctionnement Vitesse de glissement est la vitesse angulaie elative ente le oto et le champ tounant g p ad/s Les vaiables électiques dans le oto (fém et couants) ont une féquence angulaie égale à : p. p. ad/s g 38

39 39 5 Glissement: c est la difféence elative ente la vitesse de synchonisme et celle de oto %.100 s s s s g g %.100 p g p g / s p g = 0 signifie quil ny a pas de difféence ente les deux vitesses g = 1 signifie que (oto bloqué) s 0 Pincipe de fonctionnement

40 Pincipe de fonctionnement Roto fém E j p p g g.2.. f E 4, 44..(. ). jg j N g f V Foce conte-électomotice induite dans le oto et les couants ont une féquence égale à gf Si le oto toune à la vitesse de synchonisme (g = 0) il n y a pas de phénomène dinduction (fem induite = 0) 40

41 Pincipe de fonctionnement Dans la patique, les vitesses sont expimés en (pm) ou t/mn s s p 2 f s 60. p f t/mn Avec une féquence dalimentation constante la vitesse de synchonisme est constante et dépend du nombe de pôles 41

42 Pincipe de fonctionnement Vitesse de synchonisme à la féquence 50 Hz 42

43 Exemple Un moteu asynchone 208 V, 10kW, 4 pôles, 60 Hz, connectés en Y avec un glissement de 5% 1- Quelle est la vitesse synchone de ce moteu? 2- Quelle est la vitesse du oto de ce moteu à la chage nominale? 3- Quelle est la féquence de oto de ce moteu à la chage nominale? 4- Quel est le couple de labe de ce moteu à la chage nominale? 43

44 Solution n sync n m 60 fe 60 x(60) 1800 pm P p 2 (1 s) n s (1 0.05) pm f gf Hz load e Pout m Pout nm hp746 watt / hp (1/ 60) 41.7 N. m 44

45 Pincipe de fonctionnement 3) Fonctionnement avec oto en cc tounant à une vitesse donnée Étant donné que le oto est femé, une foce conteélectomotice induite peut cée des couants avec une féquence angulaie g Les couants otoiques tiphasés céent un champ tounant qui toune à une vitesse g pa appot au oto. p Le oto toune à une vitesse pa appot au stato. 45

46 Pincipe de fonctionnement Le champ magnétique tounant poduit pa le oto toune avec la vitesse g pa appot au stato p p g p p g p p p p s Le champ magnétique tounant poduit pa le oto est synchone avec le champ magnétique tounant poduit pa le stato, et donc un couple continu peut ête généé 46

47 Pincipe de fonctionnement Le couple poduit dépend de linteaction des tois phases du système composé de stato et de oto. Les couants otoiques sont induits pa le champ tounant poduit pa le stato. A la vitesse synchone s la fém du oto est =0, Les couants induits sont =0 le couple généé est égal à 0. Le couple est non nul losque la vitesses du oto est difféent de la vitesse synchone machine asynchone 47

48 Schéma équivalent Avec le stato alimenté pa 3 tensions tiphasés et équilibées, lanalogie avec le pincipe de fonctionnement du tansfomateu, un pemie cicuit équivalent peut ête poposé, avec deux féquences difféentes I s Rs X fs L fs I X f L f R I m V s X m L m E s E g ge g 48

49 ,Wb Tansfomateu 5 Moteu asynchone Schéma équivalent F, Ats. Signification physique des composants: L inductance de fuite coespond au flux de fuite dans le stato et le oto (flux qui ne tavesent pas le fe) linductance magnétisante tient compte de la pésence de lentefe qui a une haute eluctance magnétique En compaaison avec les tansfomateus, le couant magnétisant Im n est pas faible pa appot au couant nominal (éluctance de entefe). 49

50 Schéma équivalent Le cicuit équivalent peut ête modifié en amenant les paamètes du oto au stato Les paamètes du oto peuvent ête amenés du coté stato en utilisant les mêmes ègles définies dans le cas du tansfomateu en tenant compte du nombe de spies équivalent m N N s E E I m. I m R R m X X f 2 f 2 m 50

51 Schéma équivalent La fém du oto peut ête écite sous la fome E jg j4, 44N gf ˆ u N N E N gf g N f ˆ 4, 44..4,44.. ˆ s u s u Ns Ns = N N s. ge s N E E mge s s N 51

52 Schéma équivalent Le nouveau cicuit avec les éléments du oto amenés au stato: Is Rs X fs L fs I X gl f f R I m V s X m L m E s E ge s Les cicuits du oto et du stato ne sont pas à la même féquence sauf le cas du oto bloqué (g=1) 52

53 Schéma équivalent Il est nécessaie de modifie les cicuits pou que le stato et le oto aient la même féquence. divisant les quantités du oto pa g, cette manipulation ne va pas change la valeu du couant du oto: I g E s R jgl La foce conte-électomotice du oto devient égale à Es La éactance de fuite du oto est à la féquence du stato f R g E s j L f 53

54 Schéma équivalent Cicuit équivalent amené à la féquence du stato I s Rs X fs L fs X gl f f R / g I m Vs X m L m Es Entefe R / g pend en compte toute la La valeu fictive de la ésistance du oto puissance tansmise du stato au oto (également la puissance mécanique) 54

55 Schéma équivalent La ésistance fictive R /g dépend du glissement, et peut ête sépaé en deux ésistances en séie Is Rs X fs L fs X gl f f R I m Vs X m L m Es Entefe 1 R. g g R epésente les petes pa effet Joule dans les cicuits de oto 1 g R. est une ésistance fictive qui epésente la puissance électique convetie g en énegie mécanique 55

56 Schéma équivalent Pou compléte le cicuit équivalent à une seule phase, les petes fe doivent ête pises en compte (stato et oto) Les petes fe dans le stato dépendent de lamplitude et de la féquence du champ magnétique tounant, et donc de la foce électomotice du stato ( tension dalimentation). au point de fonctionnement nomal, les valeus de g sont tès faibles (3-5%) et la féquence du oto peut ête négligée Les petes fe dans le oto sont tès petites pa appot à celles du stato et peuvent ête négligées 56

57 Schéma équivalent Cicuit équivalent monophasé complet vu du côté du stato Entefe Is Rs X fs L fs I X gl f f R Vs I fe R fe X m I m Es 1 g R g R fe Résistance fictive epésentant les petes fe 57

58 Schéma équivalent En aison de la eluctance de lentefe, le couant à vide dans les machines à induction I0 est denvion 20-60% du couant nominale (dans les tansfomateus ce couant est autou de 1 à 5%) Le cicuit équivalent des les machines asynchones, les paamètes Rs et Xfs ne peuvent pas ête déplacés apès limpédance à vide Xm et Rfe pou simplifie les calculs (eeu impotante). 58

59 Bilan de puissance Is Rs Pjs X fs L fs Entefe I X gl f f R Pj Vs P fe I fe R fe X m I m Es 1 g R g P m P s Pt Pm Pu Pfe Pj pmeca P js 59

60 Bilan de puissance Puissance absobée P 3 V. I. Cos 3 U. I. Cos s s s s s s s Petes joules au stato P R I 2 js s s 3. W 60

61 Bilan de puissance Petes fe P fe E 2 3 s R fe Puissance tansmise du stato au oto P P - P - P W t s js fe Petes joule oto P R I 2 j 3. W 61

62 Bilan de puissance Puissance convetie en puissance mécanique P Pt Pj Pm 1 g W g 3. R. I 2 m le oto absobe une patie de la puissance en fonction du glissement Qd le oto est fixe (g = 1) toute la puissance tansmise est dissipée dans le oto Qd le oto est mobile (g 1) la faction (1-g) / g est convetie en puissance mécanique 62

63 Bilan de puissance Couple électomécanique T m P m 1 g 3. R. I g 2 N.m 1 g s T m R I g s P t = N.m s La puissance tansmise du stato au oto dépend de la valeu du couple électomagnétique et ne dépend pas de la vitesse du oto. Pt Tm. s 63

64 Bilan de puissance Petes mécaniques dues aux fottements et ventilation - Pmeca Losque la machine fonctionne en moteu, le couple de sotie disponible à labe est égal au couple électomagnétique poduit, diminué du couple due aux fottements et de ventilation T T T utile m fv 64

65 Bilan de puissance Puissance tansmise à lentefe: P T. t m s T m P t s R 3. g s. I 2 Le couant du oto est évaluée à pati d une phase du cicuit équivalent Is Rs X fs I X f R V s R fe X m E s 1 g R g I fe I m Le cicuit du stato est emplacé pa le généateu de Thévenin équivalent 65

66 Bilan de puissance Is Z s Entefe X f R Z R jx s s s Vs Z 0 I 0 Es 1 g R g Z 0 R // jx fe m I s Req Zeq Z 0 V eq s X eq I X f R Z Z Z eq Zs // Z 0 0. V s phase V s E s Entefe 1 g R g Z R jx eq eq eq 66

67 Caactéistique mécanique I V eq V eq I Z eq Z ( g) R X X g s p 2 R eq eq 2 T m R p g 3... V 2 R 2 Req X eq X g 2 eq 67

68 Caactéistique mécanique Avec une tension dalimentation fixe (en amplitude et en féquence), la caactéistique de couple en fonction du glissement peut ête déteminé Fonctionnement en fein hypesynchone Glissement du couple max Fonctionnement en moteu hyposynchone Couple maximal Couple de démaag Glissement Couple de feinage maximal (généateu) 68

69 Caactéistique mécanique Limite pou g 0 R 2 p g 2 p Veq T m 3... V 3... g 0 2 eq g R 2 R X eq X g Pou les faibles valeus de g, le couple vaie linéaiement avec g Limite pou g T m g R p g 3... V 2 2 Req X eq X Pou les gandes valeus de g, le couple est invesement popotionnel à g 2 eq 69

70 Caactéistique mécanique Commentaies su la caactéistique de couple T m R p g 3... V 2 R 2 Req X eq X g 2 eq Le couple a le même signe de g 2 V Le couple est = 0 pou g = 0 et pou g----> Le couple pésente deux valeus maximales (positive et une négative) pou les valeus égales de glissement en valeus absolues 70

71 Caactéistique mécanique Caactéistique du couple en fonction de la vitesse du oto Fonctionnement comme moteu hyposynchone Couple maximal Fonctionnement comme fein (fein dissipatif) Fct en généateu Fein egénéatif 71

72 Caactéistique mécanique Dans les conditions nominales le glissement est tès faible (3-5%): la valeu nominale de la vitesse est poche de la vitesse synchone. N -point nominal Exemple N N S 1500 t / min 1450 t / min g 3.3% Pas de chage 72

73 Caactéistique mécanique Conditions à vide Idéalement la machine toune à la vitesse synchone (g = 0) Dans la patique, en aison des petes de fottement et de ventilation, la valeu de glissement est généalement tès faible ( à la vitesse synchone (g = 0), il n y a pas de mouvement elatif ), mais non nul ente le champ tounant et le oto : pas de fém induites, et pas de couant dans le oto. Un couant à vide dans le stato (I0) est nécessaie pou mainteni le flux magnétique tounant et compense les petes Le couant de stato de chage (20-60% du couant nominal), il dépend de lépaisseu dentefe g0 0 73

74 Caactéistique mécanique 2- Condition de oto ou de dépat fixe (g = 1) Les conditions de démaage peuvent ête analysées au moyen de la cicuit équivalent Couant du Roto avec g = 1: I g V eq R eq X eq X T d p R V Nm 2 2 eq R R X X eq eq 74

75 Caactéistique mécanique La valeu du couant de démaage est élevé (5-10 fois le couant nominal): il epésente le couant maximal que le moteu peut absobe. La condition de démaage est citique pou le moteu; cetaines techniques sont adoptées pou éduie les couants de démaage: utilisation d une séie de éactance connecté au stato pou éduie le couant utilisation dune ésistance séie connectée au oto (seulement à bague) pati avec montage d enoulements banchés étoile puis commutation à la connexion tiangle 75

76 Caactéistique mécanique Couple maximal La valeu de g coespondant au couple maximal (g (Tmax) peut ête obtenue pa ésolution de léquation: T g 0 Alos, elle peut ête obtenue en utilisant la condition de tansfet maximal de puissance ente le généateu et de la chage: Qui est obtenu losque limpédance intene du généateu est égale à limpédance de chage 76

77 Caactéistique mécanique Tansfet de puissance maximale = V s I s Req Z eq jx X eq f X f R g R g T max R X X 2 eq eq f 2 g T X max eq X R R X X fs 2 eq eq f R X X X eq fs f ft 2 g X T ft max R X ft Réactance totale 77