Chapitre V : Moteurs asynchrones

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Cours : Machines électriques

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Chapitre V : Moteurs asynchrones

  1. 1. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 1
  2. 2. Illustration du champ tournant triphasé2010-2011 Mohamed ELLEUCH 2
  3. 3. Principe du moteur synchrone2010-2011 Mohamed ELLEUCH 3
  4. 4. Principe moteur synchrone2010-2011 Mohamed ELLEUCH 4
  5. 5. Principe du Moteur Synchrone Lorsque l’on place l’aiguille aimantée entre les branches de l’aimant en U au repos,elle s oriente suivant le sens du champ magnétique de ce dernier. s’oriente dernier La rotation de l’aimant en U, entraîne la rotation de l’aiguille dans le même sens et àla même vitesse. Dans ce cas là, la vitesse est appelée vitesse de synchronisme, notée Ωs ( en rad s-1) là synchronisme rad.s 1). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 5
  6. 6. Principe Moteur Asynchrone2010-2011 Mohamed ELLEUCH 6
  7. 7. Principe Moteur Asynchrone2010-2011 Mohamed ELLEUCH 7
  8. 8. Principe du Moteur Asynchrone Action sur un disque amagnétique La rotation de l’aimant produit celle du disque, mais ce dernier tourne plus lentement. La rotation est asynchrone.Le disque métallique est le siège de courants induits, créés par la variation duflux ( dû à la rotation du champ magnétique de l’aimant en U par rapport au disque ) appelés aussi courants de Foucault. Foucault2010-2011 Mohamed ELLEUCH 8
  9. 9. Organisation « didactique » d’un moteur Asynchrone2010-2011 Mohamed ELLEUCH 9
  10. 10. MA-Sens Trigonométrique g q2010-2011 Mohamed ELLEUCH 10
  11. 11. MA- Inversion du sens de rotation sens horaire2010-2011 Mohamed ELLEUCH 11
  12. 12. Glissement du rotor par rapport au champ tournant MA3_Glissement.avi2010-2011 Mohamed ELLEUCH 12
  13. 13. induction machine, general design2010-2011 Mohamed ELLEUCH 13
  14. 14. Constitution Industrielle2010-2011 Mohamed ELLEUCH 14
  15. 15. Moteur Assemblé2010-2011 Mohamed ELLEUCH 15
  16. 16. MOTEUR ASYNCHRONE 2 variantes STRUCTURE Stator : feuilleté, support d un bobinage de 3 enroulements (à p bobines feuilleté dunchacun) et générant un champ tournant à 2 p pôles. Rotor : 2 variantes : Rotor à cage (CAG) rotor feuilleté, comprenant des encoches contenant des barres non isolées (insérées (i é é en C ou i j té en Al) court-circuitées aux extrémités par Cu injectées Al), t i ité t é ité deux anneaux. Rotor bobiné (BAG) rotor feuilleté, comprenant des encoches contenant un bobinage triphasé, isolé. Ce dernier est relié à 3 bagues sur lesquelles frottent des charbons, reliés à un rhéostat. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 16
  17. 17. Stator Organisation g2010-2011 Mohamed ELLEUCH 17
  18. 18. Low Voltage - High Voltage Stator Windings LV HV2010-2011 Mohamed ELLEUCH 18
  19. 19. Organisation des enroulements statoriquesRéseauRé Réseau 220 V 380 V Plaque à bornes statoriques 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 19
  20. 20. ROTOR OrganisationL’entrefer séparant le stator et le rotor est généralement inferieur à 1 mm slip-ring rotor squirrel cage squirrel-cage rotor Rotor bobiné 2010-2011 = (BAG) Mohamed ELLEUCH Rotor à cage = (CAG) 20
  21. 21. slip-ring rotors (BAG) p g ( ) MOTEUR à BAGUES (BAG) Rotor induction machines with slip-ring rotor consist of three- phase windings with a number of, of similar to their stator stator. End windings are outside the cylindrical cage connected to slip rings. R t windings are short- Rotor i di h t circuited either directly or via brushes Brushes Br shes using a starting resistor or can pp y gbe supplied by external voltage,which are means to adjust 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 21rotational speed.
  22. 22. Couplage Rotor toujours en Y2010-2011 Mohamed ELLEUCH 22
  23. 23. squirrel-cage rotorSquirrel-cage rotors are composed ofseparate rotor bars to form a cylindricalcage.Their end windings are short-circuitedusing short-circuit-rings at their endfaces.This type of construction does not admitany access t the rotor to th t 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 23
  24. 24. induction machine, unassembled parts2010-2011 Mohamed ELLEUCH 24
  25. 25. Rotor bars, Short-ciruit Rings, iron lamination2010-2011 Mohamed ELLEUCH 25
  26. 26. ETUDE des CHAMPS TOURNANTS• On alimente les enroulements statoriques par un système de tension triphasé de triphasé, pulsation ωs. D’après le théorème de FERRARIS on obtient un champ tournant à p paires de pôles tournant à la vitesse:• Les courants induits dans le rotor font tourner celui-ci à la vitesse Ω.• La pulsation des f.é.m. induites dans les enroulements rotoriques est : ω= p (Ωs- Ω)Les courants rotoriques créent ( théorème de Ferraris ) un champ tournant :• Les deux champs d’induction (stator/ Rotor) se composent pour former un champs glissant résultant tournant à Ωs . 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 26
  27. 27. • On note g : le glissement du rotor par apport au champ tournant:• La fréquence au rotor: f = g fs 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 27
  28. 28. Exemples frotor (Hz) (H ) 1,565 1 565 2 1,75 2,33 , 22010-2011 Mohamed ELLEUCH 28
  29. 29. COUPLE MOTEUR Cm • En vertu de la loi de Lenz, les forces de Laplace s’exerçant sur le rotor entrainent celui‐ci dans le sens de rotation du champ: C’est donc le couple moteur Cm• Si on désigne par Cr le couple résistant nécessaire pour entrainer la machine commandée par l moteur. O a : t i l hi dé le t On• Le fonctionnement étant basé sur la réaction des courants induits, d’où l’appellation : moteur à induction. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 29
  30. 30. Bilan de Puissance Pem = Cem . Ω2010-2011 30 Mohamed ELLEUCH
  31. 31. Bilan de Puissance Pjr = Ptr- Pem = Cem (Ωs – Ω) = Pjr = g Ptr = g Cem Ωs = g Ptr2010-2011 Mohamed ELLEUCH 31
  32. 32. Power Diagram: Example diagram of a 4kW two-pole induction motor.PFe, iron losses; PCus, resistive losses of the stator; Pad, additional losses; Pδ, air-gap power;PCur, resistive losses of the rotor; Pρ, friction losses.The losses (700W in total) have to be removed from the machine at an acceptable temperaturedifference to the ambient 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 32
  33. 33. Caractéristiques de fonctionnement qEquation aux bornes de l’enroulement statorique Ptransmise = Ptr Pélectromagnétique = Pem RotorLe rendement est autant élevé que le glissement g est faible ! (g = 1% à 6%) ) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 33
  34. 34. Etude du fonctionnement: A VIDE• Le fonctionnement à vide est caractérisé par l’absence de couple résistant (Cr = 0)• L’étude sera faite sur un moteur à rotor bobiné.Rotor ouvert• Nous somme en présence d’un transformateur triphasé à champ tournant• Jo : courant statorique; J2 = 0.• Les f.é.m induites par le champ tournant respectivement Dans le stator et le rotor sont : 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 34
  35. 35. Fonctionnement à rotor ouvertCet essai n’est possible qu’avec le moteur BAG et permet d’évaluer le rapport de transformation m 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 35
  36. 36. Rotor Fermé Quand Cr = 0 alors Ω ≈ Ω Q d l Ωs Les courants statoriques et rotoriques deviennent J10 et J20 qui sont assez inférieurs respectivement à J1n et J2n avec : – J1n : courant nominal statorique en pleine charge ; – J2n : courant nominal rotorique en pleine charge .On a: 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 36
  37. 37. FONCTIONNEMENT EN CHARGELe fonctionnement en charge est caractérisé par un couple résistant (de charge) Cr différent g ( g ) de zéro.Les caractéristiques du point de fonctionnement sont : – V1: tension d’alimentation de pulsation ωs – J1 , J2 : courants statorique et rotorique – Ω: pulsation de rotation du rotor – Kp1, Kp2: coefficients de Kapp (stator et rotor) – R1, R2 : Résistance ohmique d’un enroulement respectivement storique et rotorique d un – lo1, lo2 : coefficient d’auto-induction de fuite (stator, rotor). – N1, N2 : nombre de conducteurs actifs par enroulement (stator, rotor). Primaire (stator) Secondaire (rotor) f.é.m fém E1 = Kp1 N1 fs Φm = K E2 = Kp2 N2 (g fs) Φm = g E2d = K (g f ) Φ = g E pulsation             ωs ω = g ωs Fréquence            fs f= g fs Intensité               J1 J2 Impédance de fuite   R1 + j Iσ1 ωs = R!+ j Xσ1 R2+ j Iσ2 gωs = R2+ j g Xσ2 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 37
  38. 38. Equation aux Ampères – toursPour l étude des Ampères tours (At), on peut remplacer le rotor l’étuderéel par un rotor immobile équivalent afin d’obtenir des courantsstatoriques et rotoriques à la même fréquence fs, sans toutefoischanger la valeur des modules. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 38
  39. 39. Schéma équivalent (1) J1 jXσ1 jXσ2 R1 R2 J0 m E1 E2 V1 Xm J2 R2(1-g)/g K•Le schéma équivalent doit rendre compte des équations électriques aux bornes des enroulements •en plus du bilan de puissance établi.Equations électriques :Si  le rotor est bobiné, l’interrupteur  K est ouvert quand le rotor se trouve ouvert. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 39
  40. 40. Schéma équivalent (2) RFs = constante Rm = J1 jXσ1 jXσ2 R1 R2 J0 m V1 RFs Xm RFr Jm R2(1-g)/g R2 K Pa Ptr Pém Pu pjs pFs pFr pjr pm Les L pertes fer sont proportionnelles au carré de l’induction et d l f é t f t ti ll é d l’i d ti t de la fréquence Les pertes mécaniques sont proportionnelles à la vitesse du rotor Les chutes provoquées par les impédances de pertes Zσk = Rk + jXσk sontnégligeables devant les fém induites induites. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 40
  41. 41. Schéma équivalent simplifiéLa première simplification consiste à:• Ramener les paramètres rotoriques du coté stator, ,• Négliger les pertes fer rotoriques• Mettre les pertes mécanique et les pertes fer statoriques sur une résistance Rm placée en parallèle avec la réactance magnétisante Xm .La deuxième simplification consiste à ramener la branche magnétisante aux bornes de la source d’alimentationLe modèle le plus simplifié consiste à négliger toutes les pertes sauf les pertes Joule rotoriques avec mise en parallèle de la branche magnétisante Xm en parallèle avec la source. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 41
  42. 42. Schéma équivalent simplifiéCe modèle permet d’étudier qualitativement les différentes caractéristiques du moteur. Les résultats sont quantitativement acceptables pour des moteurs de grande puissance  (à partir de quelques dizaines de kW).  2010-2011 Mohamed ELLEUCH 42
  43. 43. CARACTERISTIQUE MECANIQUEPour étudier l’allure nous remarquons que: l allure, • la fonction est impaire •et nous distinguons : Si g varie (0→∞) Mg décrit un (0→∞), 2010-2011 demi cercle Mohamed ELLEUCH 43
  44. 44. CARACTERISTIQUE MECANIQUE Cem Cmax Cmax Cd 00 gc 1 2 Générateur Moteur Générateur Instable Stable Instable -1≤ g ≤ 1 Rotor tourne Champ tourne en Rotor tourne plus vite que le moins vite sens inverse du champ tournant que le rotor champ tournant to rnant2010-2011 Mohamed ELLEUCH 44
  45. 45. Autre expression du couple Posons:M = Cem ; ω1 = ωs = p ΩsMkipp = CmaxS = g; Skipp = gcLe couple devient: 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 45
  46. 46. CARACTERISTIQUE MECANIQUECalcul de Cmax R/g = X (gc= R/X)On remplace R/g par X dans l’expressiondu couple on obtient : Cmax Cd C Cdd Cd C Cn d g 1 0 Ω=0 Ω=(1-g) Ωs Ωc Ωs appelé facteur de stabilité Cem (Ω)Calcul du couple de démarrage Cd :Faire  g =1 dans Cem 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 46 Cd  3 V1²R/ Ωs.  X² R²
  47. 47. INFLUENCE DE LA RESISTANCE ROTORIQUE • En introduisant le rhéostat triphasé avec les enroulements du rotor: R = R’2+ Rh (Rh : Valeur ramenée au stator = Rhréel/m2). • Le couple maximal Cmax reste inchangé car il ne dépend pas de R R. gc augmente avec Rh•Cd augmente aussi avec Rh.Donc le glissement critique est le couplede démarrage sont pratiquementproportionnels à (R’2+ Rh) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH Rh = X - R2’ 47
  48. 48. DEMARRAGE DES MOTEURS ASYNCHRONES• Lorsque le stator est mis sous tension, le rotor est à l’arrêt : ( Ω= 0 ; g = 1)• Le moteur se comporte exactement comme un transformateur triphasé en court-circuit (les courants rotoriques ont alors la même fréquence fs que les grandeurs statoriques).• La valeur efficace Jd des courants appelés est alors très supérieure au courant nominal Jn éi t i l• Jd est le courant de décollage (démarrage) (démarrage).• Le rapport Jd/Jn appelé pointe de courant varie : de 4 à 10 ! 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 48
  49. 49. Courant appeléEn première approximation, négligeons le courant magnétisant Jo devant Lorsque Ω augmente depuis zéro g diminue depuis 1 et R/g zéro, 1,augmente , alors le courant appelé décroitRemarque : le courant appelé ne dure que très peu detemps (Δt) et peut être généralement supporté par lemoteur sans échauffement dangereux. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 49
  50. 50. Contraintes Si le rapport Jd/Jn est fort, il donne une chute de tension sur le réseau Si le réseau est peu puissant par rapport au moteur, la chute de tension devient inacceptable pour le moteur et pour les autres usagers! En général, on réduit le courant de démarrage à des valeurs acceptablesPour réduire J1d il faut : Soit augmenter R (insertion de Rh) Soit augmenter R (insertion de Rh) Soit réduire la valeur efficace V1 (autotransformateur,  impédance en série avec le stator….)  impédance en série avec le stator ) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 50
  51. 51. PROCEDES DE DEMARRAGE Moteur à cagePour le démarrage d’un moteur à cage, il faut tenir compte : g g , p De la surintensité admissible par l’installation électrique Du couple de démarrage nécessaire à la machine entrainée De la durée de démarrage admissible par le moteur.Emploi : Démarrage DirectIl convient pour un moteur à cage quand: Il i à d le réseau supporte Jd et la machine entrainée permet le démarrage  brutal la machine entrainée permet le démarrage "brutal " : c’est le cas des machines ayant besoin d’un fort couple de  démarrage (moteur de levage, forte cadence de démarrage). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 51
  52. 52. Démarrage DirectAvantage :•Simplicité maximale de l’appareillage•Couple important •Temps de démarrage minimal.Inconvénients :•Appel du courant important :  Jd = (4 à 8 )Jn•Démarrage brutal•Démarrage brutal 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 52
  53. 53. Démarrage étoile- triangleAuA moment de dé t d démarrage, l 3 phases d stator sont couplées en ét il : les h du t t t lé étoile chacune d’elles n’est soumise qu’à la tension U/Emploi :Son emploi est limité aux machines démarrant à vide (machine outils, transmission à vide, pompes vide (machine outils, transmission à vide, pompescentrifuges…)Avantages : •Appel de courant de démarrage Jd réduit :Jd/•Complication d’appareillage  faible Inconvénients :•Couple réduit au 1/3 de sa valeur du démarrage direct.•Coupure de l alimentation pendant le passage•Coupure de l’alimentation pendant le passageDu couplage étoile vers le couplage triangle Le passage de l’étoile vers le triangle se fait quand Ω tend vers Ωs.Si non, on f it appel à un f t courant fait l fort t 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 53
  54. 54. Démarrage par impédances statoriques• Au moment de démarrage, on aura le schéma simplifié suivant où : Impédance de  Impédance du moteur au  I éd d démarrage démarrage D’où la réduction du couple de démarrage par :     k2 < 1  démarrage par impédance statorique en trois temps : fermer C, puis C et finalement C démarrage par impédance statorique en trois temps : fermer C puis C1 et finalement C2 . 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 54
  55. 55. Démarrage du moteur CAG C2 C1Exemple de démarrage par impédance statorique en 3 temps : fermer C, puis C et finalement C fermer C puis C1 et finalement C2Emploi :Machine démarrant sous faible couple(pompes, ventilateurs….)Avantages : C•Permet le choix de Cd : (Cd < (Cd)direct = Cdn)•Passage d’un «Cran» sans coupure•Prix d’achat faibleInconvénients :•Couple de démarrage est égale à (Cdn démarrage direct)•Consommation d’énergie (active si Za = Ra)RemarqueA éviter ce mode de démarrage (par impédance statorique ) , si le démarrage estfréquent.fé t 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 55
  56. 56. Démarrage par autotransformateurEmploi :• Le procédé de démarrage par autotransformateur est utilisé en général pour des machines relativement puissante, (Pn > 100 kW)Avantages :A t• Choix du couple de décollage• Il n’y a pas coupure du courant ’Inconvénient :• Prix d’achat élevé (autotransformateur plus contacteurs). contacteurs) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 56
  57. 57. Procédé de démarrage d’un moteur BAGOn O va  chercher,  grâce  à  ce  procédé, à augmenter  le  moment  d couple  au  h h â à édé à  l du  ldémarrage, tout en réduisant l’intensité du courant appelé .On insère des résistances rotoriques variables O i è d éit t i i blqui seront éliminées après  le démarrage. Cette variation peut être « continue » ou en « cran »*Jd ne dépasse pas la valeur admissible (par exemple 2 Jn)*Le  démarrage  est  le  plus  court  possible  puisque,  à  chaque  changement  de  plot,  le  2010-2011couple retrouve sa valeur maximale. Mohamed ELLEUCH 57
  58. 58. Démarrage (BAG)Avantages :•Le choix  de la valeur de Cd (Cd ≤ CMax)  ( )•Réduction du courant de démarrage avec augmentation de Cd• Le choix  de la valeur de Cd (Cd ≤ CMax) •Réduction du courant de démarrage avec augmentation de CdInconvénients :•Procédé couteux (machine asynchrone à rotor bobiné plus rhéostat)Forte consommation de l’énergie au démarrage F t ti d l’é i déEmploi : Ce  mode  de  démarrage  est  utilisé  quand  la charge exige un couple Cd important. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 58
  59. 59. Démarrage par Soft-Starter (CAG)Pour diminuer la valeur de la tension,il  suffit  d’interposer  un  gradateur  triphaséentre le réseau et les bornes du moteurs.entre le réseau et les bornes du moteursPar phase, deux thyristors montés tête‐ bêche contrôlent  l’un  l’aller,  l’autre  le  retour  du courant .courantEn  retardant  à chaque  alternance  l’entrée  en conduction  du  redresseur  correspondant,  on diminue la tension appliquée au moteur.di i l i li éAvantage: Si li ité t ût éd it•Simplicité et coût réduitInconvénient:•Réduction du couple de démarrage•Pollution harmonique du réseau pendant le démarrage, sachant que le gradateur doit être shunté après le démarrage pEmploi: •Pour  les  charges  qui  n’exigent  pas  un  fort  couple  de  décollage  compresseur,  2010-2011 Mohamed ELLEUCH 59ventilateur…
  60. 60. Comparaison du cout des différents solutions• Désignation : Moteur à cage : CAG ; Moteur à Rotor bobiné : BAG• Hypothèse : Prix du moteur CAG = 1.• Exemple : Entrainement d’une pompe centrifuge de puissance P = 50 Ch.Type du moteurType du moteur Valeur Appareillage Valeur Total CAG 1 Démarrage direct (Contacteur 3~ ) 0.2 1.2 CAG 1 Démarrage Y‐D (Démarrage Y‐D) 0.4 1.4 CAG 1 Avec résistances statoriques 3 temps 0.66 1.66 BAG 1.7 Rhéostat de démarrage dans l’huile et  0.42 2.12 Contacteur 3~ BAG 1.7 Rhéostat de démarrage liquide et  0.62 2.32 contacteur 3~ 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 60
  61. 61. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 61
  62. 62. 1480 1,33% 14802010-2011 Mohamed ELLEUCH 62
  63. 63. Variation de la résistance rotoriqueHypothèse: le courant totalisé dans le conducteur circule uniformément dans l’épaisseur de peau δ.la section de l’encoche occupée par le courant est :la section totale de l’encoche est :Exemple: La barre est en cuivre Cu.Au démarrage, la fréquence rotorique f = 50Hz ce qui limite le courant à une g q q qépaisseur δ≈1 cm.La résistance de la tige occupant l’encoche au démarrage:En fonctionnement normal,  frotorique ≈ 0 ; δ = h: donc   q si h  5 cm           Rd  5.Rn Mohamed ELLEUCH 63 2010-2011
  64. 64. Shapes of slots and rotor bars (a) a double cage, ( ) (b) a deep slot, p , (c) a typical castaluminiumrotor slot.The slot opening is closed p gto ease the squirrel cagedie-cast process (no p (separate mould is required) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 64
  65. 65. Variation de la résistance par effet de peau Le moteur à encoches profondes utilise leffetpelliculaire. A 50 Hz, lépaisseur de pénétration dans le cuivre estenviron d 1 cm environ. i de i Quand la vitesse du moteur croît, la fréquence descourants rotoriques diminue lépaisseur de pénétration diminue, l épaisseuraugmente et la résistance de la cage diminue sans aucuneintervention extérieure. Encoches normales Encoches profondes Couple d C l dune machine hi asynchrone pour un rotor à cage et un rotor à encoches profondes 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 65
  66. 66. Le moteur à double cageLe moteur à double cage arrive à concilier la simplicitéet la robustesse du moteur à cage et les qualités durotor bobiné bobiné.Le rotor possède deux cages concentriques: la l cage externe, d grande résistance (b t de d é i t (barres d l it d de laiton defaible section), la cage interne, en cuivre, plus inductive parcequentourée de fer et moins résistive (section plus grande).•Au démarrage, la fréquence des courants rotoriques est g , q qélevée (fs). La grande réactance de la cage interne,combinée à leffet pelliculaire, favorise le passage ducourant dans la cage externe externe.•A la vitesse nominale, la fréquence rotorique étant faible(g.fs),(g fs) seule la cage interne, de faible résistance est active. interne active 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 66
  67. 67. Caractéristique mécanique du moteur double cages DC•Cage  Extérieur  E caractérisé Cpar Re, lepar  l Cage•Cage Intérieur  I  caractérisé par  Cage E I , Ri, lila  caractéristique  du  couple  en fonction  de  glissement  g pour  les cages  E ,  I   et  l résultante  d l t la  é lt t de  la double cage  D.C . 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 67 Ω
  68. 68. torque/speed characteristics for different rotor types2010-2011 Mohamed ELLEUCH 68
  69. 69. Variation de la vitesse• En industrie, on exige dans plusieurs cas le fonctionnement à vitesse  , g p variable ; d’où l’on envisage des solutions :             Mécanique : En intercalant des engrenages (réducteur ou multiplicateur) entre le moteur et la charge : (solution onéreuse : variation de Ω limitée, rendement affaibli, maintenance alourdie…). i t l di ) Electroniques : Action sur : (alim. freq. V i bl )⇒ M t fs ( li a f Variable) Moteurs CAG pc (on récupère alors pr de pc qu’on réinjecte au réseau). ⇒ Moteurs BAG Le L rendement d i t η = Pu /(Pa - pr ) Pu /(Pu + pjr ) d t devient: )= (acceptable pour des puissances utiles corrects) η=2010-2011 Mohamed ELLEUCH 69
  70. 70. Insertion de Rhéostat au rotor (BAG)• En résonnant sur la partie stable de la caractéristique C(n)A couple Cem constant, on aura :Avantages :Le Rhéostat de glissement est facile àmettre en œuvre. Inconvénients : •Le  rendement  1‐g   est  faible  pour  les  petites vitesses : pC  3  petites vitesses :   3 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 70
  71. 71. Cascade hyposynchrone (BAG)Le réseau fournit de la puissance :  Préseau  Pa – pr. On récupère la puissance soutirée  On récupère la puissance soutirée r en utilisant cet ensemble de en utilisant cet ensemble de redresseur onduleur Les pertes se réduisent aux pertes Joule rotoriques; à puissance voisine de Pn : i i i d Ppjr  3 R2  J22   Pa           pc  pjr  pr  g Pa pr ≈ g PaLe réseau fournit donc : Préseau  Pa – pr    1‐ g  Pa  P 1 Pou encore : 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 71 reste toujours satisfaisant
  72. 72. EmploiEmploi :• Ce procédé est utilisé pour les moteurs de puissance supérieure ou égale à un MW, Sinon, on utilise un moteur à courant continu avec son variateur de vitesse vitesse.• Ce procédé largement utilisé actuellement dans les éoliennes (DFIG) avec des convertisseurs redresseur+onduleur du type MLIInconvénient :• Exige un moteur à bagues plus couteux qu’un moteur à cage qu un cage, en plus des convertisseurs statiques 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 72
  73. 73. Variation de la vitesse du moteur CAGAction sur le nombre de pôles• On construit des moteurs dont l’enroulement statorique présente, grâce à deux couplages possibles :• -soit 2p pôles; -soit 4p pôlesEmploi :• Ce procédé est utilisé dans les cas ou deux régimes différents sont nécessaires (ascenseurs, tapis roulants, éolienne à vitesse fixe SCIG….)Action sur la tension d’alimentation d alimentation• La seule façon d’augmenter le glissement d’un moteur asynchrone à cage, alimenté par des tensions de fréquence constante, est de diminuer la valeur de ses tensions.La mise en œuvre de ces procédésest très simple : il suffit d interposer d’interposerun gradateur triphasé entre le réseauet les bornes du moteurs 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 73
  74. 74. Emploi du gradateur (CAG)Emploi :• Ce procédé n’est utilisable que pour l’entrainement de charges dont le couple co ple croit très vite avec la vitesse ite a ec itesse (Fig.5.35).Inconvénients :• Réduction de Cd• Rendement médiocre pour les faibles Vitesses• Génèrent da s le réseau des Gé è e t dans e éseau harmoniques de tension et courant (pollution harmonique). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 74
  75. 75. Action sur la fréquence (CAG)• La fréquence de rotation n étant toujours voisine de ns = fs/p /p.• la meilleur solution pour agir sur ns est de faire varier fs : cela est possible grâce à un onduleur autonome• Le moteur doit toujours travailler àflux constant , or : ( Il faut donc changer simultanément V1 et fs ) . 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 75
  76. 76. Action sur la fréquence (CAG)Emploi :Les variateurs de vitesse équipant les moteurs à cage se répandent de plus enplus dans l’industrie, surtout dans le domaine de petite et moyenne puissancedans le cas où : Les machines exigent une grande plage de variation de vitesse (machineoutils) Les machines sont à grandes vitesses (centrifugeuses , rectifieuses, électro- 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 76broches…)
  77. 77. Freinage Hypersynchrone (Ω> Ωs)• Exemple: Descente lancée d’un engin de levageLe rotor tourne alors plus vite que la champ magnétique  qui tourne à Ωs : Les courants induits  dans  les  phases  rotoriques tendent  à s’opposer  à cette  survitesse;  le  couple  est donc de freinage  Cf . Avec    g 0 g 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 77
  78. 78. FREINAGE A CONTRE COURANT• La méthode consiste à intervertir deux fils d’alimentation du stator : d alimentation• Le sens de variation du champ est brutalement inversé et d’après la loi de Lenz, il est de même du couple :• Cem s’exerçant en sens inverse de la rotation du rotor, Cem est devenue un couple de freinage ; on parle de freinage à contre courant. Pour le moteur BAG on insère un Rhéostat Rh au rotor pour: 78 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  79. 79. MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASE• Il s’agit d’un moteur à un bobinage statorique, portant (p) bobines appartenant à une seule phase.• Son rotor est à cage.• La f.m.m statorique crée un flux alternatif d’axe fixe. Selon le théorème de Leblanc, il est décomposé en deux champs tournants ayant : – Même amplitude Hm – p : paires de pôles (p bobines par phase ) – Pulsation•Chaque champ tournant induit des courants dans le rotor et tend à l’entraînerdans le même sens que lui ⇒ Cd =0Si le rotor tourne à la vitesse Ω  sens direct :•Pour le champ tournant direct, le glissement est : •Pour le champ tournant inverse, le glissement est : + Mohamed ELLEUCH 792010-2011
  80. 80. Caractéristique mécanique q q• En superposant l’effet des deux champs tournant sur le rotor on obtient le couple l effet résistant C(g)•On voit que les deux couples égaux au démarrage donnent une résultante nulle Remarque:  Remarque:Le  champ  tournant  inverse  à peu pres à 2Ωs par rapport au rotor par rapport au rotor. il  produit  donc  dans  le  fer  du  rotor des  pertes  ferromagnétiques  qui abaissent le rendement du moteur! b i tl d td t !Pour  un  moteur  asynchrone  , Cd, comonophasé les paramètres: les paramètres:Cd, cosφ, η sont inférieurs à celui du moteur asynchrone triphasé. Mohamed ELLEUCH 80 2010-2011
  81. 81. Champ tournant diphasé Soit deux enroulements décalés dans l’espace de    π/2,  traversés par deux courants diphasés  en quadrature . Ils donnent naissance à un seul champ tournant . pMoteur à enroulement auxiliaireOn transforme le moteur monophasé en moteur diphasé en faisantporter le stator d’un enroulement auxiliaire (Na) décalé de 90° parrapport à l’enroulement principal (Np). L’enroulement auxiliaire pp p p ( p)sera traversé par un courant ia déphasé, (l’idéal à 90°) par rapportau courant ip de (Np) Ph. Principale Np La  phase  auxiliaire  occupe  généralement  un nombre  d’encoches  inférieur  à celle  du primaire  autour de 1/3primaire autour de 1/3 . Alim. 1 Alim 1~ Na  est éliminé après le démarrage.  Donc,  Na  peut avoir une section de fil plus fin que  Np . f 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 81 Ph. Auxiliaire Na
  82. 82. Organisation g Si  Ia et  Ip ne  donnent  pas  un  système  parfaitement  diphasé,  on  obtient  un  champ  p p y p p , pelliptique ⇒ 2 Champs circulaires tournants: Direct  Inverse  . la résultante du couple moyen de démarrage n’est plus nulle, le champ direct estbeaucoup pp plus important en module, q le champ inverse. p que p Parfois, un contact à force centrifuge ouvre la phase auxiliaire quand la vitesse à prisune valeur suffisante. Si le condensateur est de bonne qualité, on laisse la phaseauxiliaire en service, ce qui supprime tout contact mécanique. Pour certains moteurs, deux condensateurs sont utilisés, pour le démarrage et pour lerégime permanent. Et. Principal p Et. Auxiliaire Et. Et Principal Et. Et Auxiliaire Ia Ia C R V Ip V Ip 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 82
  83. 83. Emploi :Les moteurs asynchrones monophasés sont assez peu employés en moyenne et grande puissance car :• Leurs performances en charge sont inférieures à celles des moteurs asynchrones triphasés d même puissance et t h t i h é de ê i t notamment pour le démarrage.• Ces moteurs sont utilisés quand on n’a pas besoin d’un fort Cd, et en absence de réseau triphasé triphasé.• Larger single phase motors up to about 10 Hp: – A split phase motor with the addition of a capacitor in the starting winding. – Capacitor sized for high starting torque 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 83
  84. 84. Le stator à pôles saillants, avecanneau de court-circuit (spire de Frager)embrassant une partie du flux principalΦp.Φp Le courant induit dans la bagueprovoque un affaiblissement du fluxembrassé par la bague Le déphasage créé entre le fluxauxiliaire Φa et Φp provoquel’application d’un champ elliptique; doncCd serait non nul. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 84
  85. 85. MOTEURS UNIVERSELS FONCTIONNEMENT D UN MOTEUR SERIE (A COURANT CONTINU) EN D’UN ALTERNATIF• Le sens du courant dans l’induit change simultanément avec la polarité de l inducteur, l’inducteur donc le couple garde le même sens sens.• Sous une tension alternative, le couple Cem et le rendement η du moteur sont beaucoup plus faibles qu’en continu.• La commutation est mauvaise, donc il ya des étincelles.ETUDE DU FONCTIONEMENT 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 85
  86. 86. USAGES Pour les faibles puissances le moteur universel puissances, est employé aux appareils électroménagers (rasoirs, aspirateurs, robot,…). (rasoirs aspirateurs robot ) Il a l’avantage de l avantage fonctionner sur n’importe quel secteur sous une tension donnée donnée. Il est utilisé pour P < 1kW, pour avoir des couples importants à des grandes vitesses (perceuse, traction électrique,…). Pour l moyennes puissances, il est utilisé P les i t tili é dans la «traction directe ».2010-2011 Mohamed ELLEUCH 86
  87. 87. Définition des indices de protection (IP) Indices de protection des enveloppes des matériels électriques p pp q Selon norme CEI 34-5 - EN 60034-5 (IP) - EN 50102 (IK) Exemple : p Cas dune machine IP 55IP : Indice de protection5 : Machine protégée contre la poussière et contre les contacts accidentels.Sanction de lessai : pas dentrée de poussière en quantité nuisible, aucun contact l essai d entréedirect avec des pièces en rotation. Lessai aura une durée de 2 heures (sanctionde lessai : pas dentrée de talc pouvant nuire au bon fonctionnement de la machine).5 : Machine protégée contre les projections deau dans toutes les directions provenantdune lance de débit 12.5l/min sous 0.3 bar à une distance de 3 m de la machine.L essaiLessai aura une durée de 3 minutes (sanction de lessai : pas deffet nuisible de l essai d effetleau projetée sur la machine). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 87
  88. 88. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 88
  89. 89. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 89
  90. 90. Plaque signalétiqueMOTEUR ASYNCHRONE en anglais : INDUCTION MOTORType : RYCN 450 L/2 référence constructeur.NN° 06A584 001 : N de série N°2007 : année de fabricationM 5000 kg : poids480KW puissance mécanique ut e su l’arbre du moteur (½ MW). 80 pu ssa ce éca que utile sur a b e oteu )cos φ 0,92 : facteur de puissance : permet le calcul de la puissance réactiveconsommée par le moteur.2979 tr/min : Vitesse en tr.mn-1. Indique la vitesse nominale du rotor. On connait alors la qvitesse de synchronisme ns du moteur ici 3000 tr.mn-1.IC CACA International Cooling : méthode et type de fluide pour le refroidissement.IM 1001 : Classification des formes de construction et des dispositions de montage.IP55 : Indice de protection, indique la résistance du moteur à la poussière et à l’eau.IEC 60034-1 : Norme : caractéristiques assignées et caractéristiques de 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 90fonctionnement.
  91. 91. Temp. 40°C : température ambiante maximum sur le site dexploitation. p p pS1: Régime de fonctionnement, S1 fonctionnement 24h/2450HZ : Fréquence du réseau d’alimentation. Rendement ? 87%Pour le Stator : Glissement ? 0.73% ω ? 312rd.s-111 000V Tension nominale dalimentation28.3A Intensité nominale.28 3A : I ié i l Couple sur l’arbre ? 3206Nm Y couplage en étoile. (Δ pour un couplage en triangle) 3~ : Moteur triphasé.CI F : Cl Classe di l ti (é h ff disolation (échauffement maximal d enroulements admissible 105°) t i l des l t d i ibl∆T 80K : Echauffement maximal admissible 80°S ajouteSajoute des informations sur le graissage graissage. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 91
  92. 92. Exercice sont égales2010-2011 Mohamed ELLEUCH 92
  93. 93. Solution2010-2011 Mohamed ELLEUCH 93
  94. 94. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 94
  95. 95. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 95
  96. 96. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 96
  97. 97. •FIN Moteurs Asynchrones2010-2011 Mohamed ELLEUCH 97

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