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Chapitre V : Moteurs asynchrones

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Cours : Machines électriques

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Page 1: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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Page 2: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Illustration du champ tournant triphasé

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Page 3: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Principe du moteur synchrone

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Page 4: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Principe moteur synchrone

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Page 5: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 dernierelle s oriente suivant le sens du champ magnétique de ce dernier.

La rotation de l’aimant en U, entraîne la rotation de l’aiguille dans le même sens et à la même vitesse.

Dans ce cas là la vitesse est appelée vitesse de synchronisme notée Ω ( en rad s-1)5

Dans ce cas là, la vitesse est appelée vitesse de synchronisme, notée Ωs ( en rad.s 1).2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 6: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Principe Moteur Asynchrone

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Page 7: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Principe Moteur Asynchrone

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Page 8: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Principe du Moteur AsynchroneAction sur un disque amagnétique

La rotation de l’aimant produit celle du disque, mais ce dernier tourne plus lentement. La rotation est asynchrone.lentement. La rotation est asynchrone.

Le disque métallique est le siège de courants induits, créés par la variation du flux ( dû à la rotation du champ magnétique de l’aimant en U par rapport au

disque ) appelés aussi courants de Foucault8

disque ) appelés aussi courants de Foucault. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 9: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Organisation « didactique » d’un moteur AsynchroneAsynchrone

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Page 10: Chapitre V : Moteurs asynchrones

MA-Sens Trigonométriqueg q

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Page 11: Chapitre V : Moteurs asynchrones

MA- Inversion du sens de rotationsens horaire

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Page 12: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Glissement du rotor par rapport au champ tournantchamp tournant

MA3_Glissement.avi

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Page 13: Chapitre V : Moteurs asynchrones

induction machine, general design

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Page 14: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Constitution Industrielle

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Page 15: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Moteur Assemblé

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Page 16: Chapitre V : Moteurs asynchrones

MOTEUR ASYNCHRONE2 variantes

STRUCTUREStator : feuilleté support d'un bobinage de 3 enroulements (à p bobinesStator : feuilleté, support d un bobinage de 3 enroulements (à p bobines

chacun) et générant un champ tournant à 2 p pôles.

Rotor : 2 variantes :Rotor : 2 variantes :Rotor à cage (CAG)

rotor feuilleté, comprenant des encoches contenant des barres non isolées(i é é C i j té Al) t i ité t é ité(insérées en Cu ou injectées en Al), court-circuitées aux extrémités par 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.

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Page 17: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Stator Organisationg

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Page 18: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Low Voltage - High VoltageStator WindingsStator Windings

LV HV

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Page 19: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Organisation des enroulements statoriques

Ré RéseauRéseau 220 V

Réseau 380 V

Plaque à bornes statoriques

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Page 20: Chapitre V : Moteurs asynchrones

ROTOR OrganisationL’entrefer séparant le stator et le rotor est généralement inferieur à 1 mm

slip-ring rotorsquirrel-cage rotor

20

squirrel cage rotor

Rotor bobiné = (BAG) Rotor à cage = (CAG)2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 21: Chapitre V : Moteurs asynchrones

p g ( )slip-ring rotors (BAG)MOTEUR à BAGUES (BAG)

Rotor induction machines with

slip-ring rotor consist of three-phase windings with a numberof similar to their statorof, similar to their stator.

End windings are outsidethe cylindrical cage connectedthe cylindrical cage connectedto slip rings.

R t i di h tRotor windings are short-circuited either directly or via brushes

Br shes

using a starting resistor or canbe supplied by external voltage,

Brushes

21

pp y gwhich are means to adjustrotational speed.2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 22: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Couplage

Rotor toujours en Y

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Page 23: Chapitre V : Moteurs asynchrones

squirrel-cage rotorSquirrel-cage rotors are composed of separate rotor bars to form a cylindricalcage.

Their end windings are short-circuitedusing short-circuit-rings at their end ffaces.

This type of construction does not admit t th tany access to the rotor

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Page 24: Chapitre V : Moteurs asynchrones

induction machine, unassembled parts

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Page 25: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Rotor bars, Short-ciruit Rings, iron lamination

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Page 26: Chapitre V : Moteurs asynchrones

ETUDE des CHAMPS TOURNANTS • On alimente les enroulements statoriques par un système de tension triphasé de• On alimente les enroulements statoriques par un système de tension triphasé, de

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 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 Ωsglissant résultant tournant à Ωs .

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Page 27: Chapitre V : Moteurs asynchrones

• On note g : le glissement du rotor par apport au champ tournant:

• La fréquence au rotor: f = g fss

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Page 28: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Exemplesfrotor(H )(Hz)

1 5651,565

22

1,75

2,33,

2

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Page 29: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 t i l hi dé l t Oentrainer la machine commandée par le moteur. On a :

• Le fonctionnement étant basé sur la réaction des courants induits, d’où l’appellation : moteur à induction

• Le fonctionnement étant basé sur la réaction des courants induits, d’où l’appellation : moteur à inductionl’appellation : moteur à induction.l’appellation : moteur à induction.

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Page 30: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Bilan de Puissance

Pem = Cem . Ω

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Page 31: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Bilan de Puissance

Pjr = g PtrPjr = Ptr- Pem = Cem (Ωs – Ω) =

= g Cem Ωs = g Ptr

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Page 32: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Power Diagram: Examplediagram 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 temperatureThe losses (700W in total) have to be removed from the machine at an acceptable temperaturedifference to the ambient

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Page 33: Chapitre V : Moteurs asynchrones

qCaractéristiques de fonctionnementEquation aux bornes de l’enroulement statorique

Ptransmise = Ptr Pélectromagnétique = Pem

Rotor

Le rendement est autant élevé que le glissement g est faible !(g = 1% à 6%)

33

(g )

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Page 34: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 :

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Page 35: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Fonctionnement à rotor ouvert

Cet essai n’est possible qu’avec le moteur BAG et permet d’évaluer le rapport de transformation m

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Page 36: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Rotor FerméQ d C 0 l Ω ≈ ΩQuand Cr = 0 alors Ω ≈ ΩsLes 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:

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Page 37: Chapitre V : Moteurs asynchrones

FONCTIONNEMENT EN CHARGELe fonctionnement en charge est caractérisé par un couple résistant (de charge) Cr différent g ( g ) r

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)

R R : Résistance ohmique d’un enroulement respectivement storique et rotorique– R1, R2 : Résistance ohmique d un enroulement respectivement storique et rotorique– 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 E = K N f Φ E = K N (g f )Φ = g Ef.é.m E1 = Kp1 N1 fs Φm

pulsation ωs

Fréquence fs

E2 = Kp2 N2 (g fs) Φm= g E2d

ω = g ωs

f= g fs

Intensité J1

Impédance de fuite R1 + j Iσ1 ωs = R!+ j Xσ1

J2

R2+ j Iσ2 gωs = R2+ j g Xσ2

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Page 38: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Equation aux Ampères – tours

Pour l’étude des Ampères tours (At), on peut remplacer le rotorPour l étude des Ampères tours (At), on peut remplacer le rotor réel par un rotor immobile équivalent afin d’obtenir des courants statoriques et rotoriques à la même fréquence fs, sans toutefois changer la valeur des modules.

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Page 39: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Schéma équivalent (1)jX jXJ1 R1jXσ1 jXσ2 R2

Em

J1

E2J0

XmR2(1-g)/gV1

E1

J2

E2

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.

392010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 40: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Schéma équivalent (2)

jX jXJ1

RFs = constante Rm =

R1jXσ1 jXσ2 R2

m

J1

J0

XmR2(1-g)/gV1 RFs J2

K

RFr Rm

K

Pa Ptr Pém Pu

pjs pFs pFr pjr pm

L t f t ti ll é d l’i d ti t d l f éLes pertes fer sont proportionnelles au carré de l’induction et de la fréquenceLes pertes mécaniques sont proportionnelles à la vitesse du rotor Les chutes provoquées par les impédances de pertes Zσk = Rk + jXσk sont

négligeables devant les fém induites40

négligeables devant les fém induites.2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 41: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Schéma équivalent simplifié La 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 men parallèle avec la réactance magnétisante Xm .

La deuxième simplification consiste à ramener la branche magnétisante aux bornes de la source d’alimentation

Le modèle le plus simplifié consiste à négliger toutes les pertes sauf les pertes Jouletoutes les pertes sauf les pertes Joule rotoriques avec mise en parallèle de la branche magnétisante Xm en parallèle avec la source.

412010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 42: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Schéma équivalent simplifié

Ce 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).

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Page 43: Chapitre V : Moteurs asynchrones

CARACTERISTIQUE MECANIQUE

Pour étudier l’allure nous remarquons que:Pour étudier l allure, nous remarquons que:• la fonction est impaire •et nous distinguons :

Si g varie (0→∞) Mg décrit un

43

Si g varie (0→∞), Mg décrit un demi cercle2010-2011

Mohamed ELLEUCH

Page 44: Chapitre V : Moteurs asynchrones

CARACTERISTIQUE MECANIQUECem

CmaxCmax

em

1gc0 20

Cd

Moteur GénérateurGénérateur

InstableInstable Stable

-1≤ g ≤ 1

Champ tourne en sens inverse du rotor

Rotor tourne plus vite que le champ tournant

Rotor tourne moins vite

que le champ

to rnanttournant

2010-2011 44Mohamed ELLEUCH

Page 45: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Autre expression du couplePosons:

M = Cem ; ω1 = ωs = p Ωsem ; 1 s p sMkipp = CmaxS = g; Skipp = gc

Le couple devient:

452010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 46: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Calcul de C R/g = X (g = R/X)

CARACTERISTIQUE MECANIQUECalcul de Cmax R/g X (gc R/X)On remplace R/g par X dans l’expression du couple on obtient :

Cmax

Cd

CdCdCdCdCn

Ω=0 Ω=(1-g) Ωs ΩsΩc

g 1 0

Cem (Ω)appelé facteur de stabilité

Calcul du couple de démarrage C :46462010-2011 Mohamed ELLEUCH

Calcul du couple de démarrage Cd :Faire g =1 dans Cem

Cd 3 V1²R/ Ωs. X² R²

Page 47: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 C reste inchangé car il ne dépend pas de R• Le couple maximal Cmax reste inchangé car il ne dépend pas de R.

gc augmente avec Rh

•Cd augmente aussi avec Rh.

Donc le glissement critique est le coupleDonc le glissement critique est le couple de démarrage sont pratiquement proportionnels à (R’2+ Rh)

47Rh = X - R2’2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 48: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 é i t i l Jsupérieure au courant nominal Jn

• Jd est le courant de décollage (démarrage)Jd est le courant de décollage (démarrage).

• Le rapport J /J appelé pointe de courant varie : de 4 à 10 !• Le rapport Jd/Jn appelé pointe de courant varie : de 4 à 10 !482010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 49: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Courant appeléEn première approximation, négligeons le courant magnétisant Jo devant

Lorsque Ω augmente depuis zéro g diminue depuis 1 et R/gLorsque Ω augmente depuis zéro, g diminue depuis 1, et R/g augmente , alors le courant appelé décroit

Remarque : le courant appelé ne dure que très peu de temps (Δt) et peut être généralement supporté par letemps (Δt) et peut être généralement supporté par le moteur sans échauffement dangereux.

492010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 50: Chapitre V : Moteurs asynchrones

ContraintesSi le rapport Jd/Jn est fort, il donne une chute de tension sur le réseauSi le réseau est peu puissant par rapport au moteur, la chute de tension devient inacceptable pour le moteur et pour les autres usagers!devient inacceptable pour le moteur et pour les autres usagers!En général, on réduit le courant de démarrage à des valeurs acceptables

Pour 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 )50

impédance en série avec le stator….) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 51: Chapitre V : Moteurs asynchrones

PROCEDES DE DEMARRAGEMoteur à cageMoteur à cage

Pour le démarrage d’un moteur à cage, il faut tenir compte :g g , pDe 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.

Démarrage DirectDémarrage DirectEmploi :

Il i à dIl convient pour un moteur à cage quand: le réseau supporte Jd etla 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).

512010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 52: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Démarrage DirectAvantage :•Simplicité maximale de l’appareillage•Couple important •Temps de démarrage minimal.

Inconvénients :Inconvénients :•Appel du courant important : Jd = (4 à 8 )Jn•Démarrage brutal•Démarrage brutal

522010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 53: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Démarrage étoile- triangleA t d dé l 3 h d t t t lé ét ilAu moment de démarrage, les 3 phases du stator sont couplées en 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, pompesvide (machine outils, transmission à vide, pompes centrifuges…)

Avantages : •Appel de courant de démarrage Jd réduit :Jd/•Complication d’appareillage faible Inconvénients :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 f it l à f t t

532010-2011 Mohamed ELLEUCH

Si non, on fait appel à un fort courant

Page 54: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Démarrage par impédances statoriques• Au moment de démarrage, on aura le schéma

simplifié suivant où :

I éd dImpédance de démarrage

Impédance du moteur au 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

54

démarrage par impédance statorique en trois temps : fermer C, puis C1 et finalement C2 .

2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 55: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Démarrage du moteur CAGCCExemple de démarrage par

impédance statorique en 3 temps :fermer C puis C et finalement C

C1C2

fermer C, puis C1 et finalement C2Emploi :Machine démarrant sous faible coupleMachine démarrant sous faible couple (pompes, ventilateurs….)

Avantages :•Permet le choix de Cd : (Cd < (Cd)direct = Cdn)•Passage d’un «Cran» sans coupure

C

•Prix d’achat faibleInconvénients : •Couple de démarrage est égale à (Cdn démarrage direct)•Consommation d’énergie (active si Za = Ra)Remarque A éviter ce mode de démarrage (par impédance statorique ) , si le démarrage est f é t

55

fréquent.2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 56: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Démarrage par autotransformateur Emploi : • Le procédé de démarrage parLe procédé de démarrage par

autotransformateur est utilisé en général pour des machines relativement puissante, (Pn > 100 kW)

A tAvantages :• Choix du couple de décollage

’• Il n’y a pas coupure du courant Inconvénient :• Prix d’achat élevé

(autotransformateur plus contacteurs)contacteurs).

562010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 57: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Procédé de démarrage d’un moteur BAGO h h â à édé à l d lOn va chercher, grâce à ce procédé, à augmenter le moment du couple au démarrage, tout en réduisant l’intensité du courant appelé .

O i è d é i t t i i blOn insère des résistances rotoriques variables qui seront éliminées après le démarrage. Cette variation peut être « continue » ou en « cran »

*Jd ne dépasse pas la valeur admissible (par exemple 2 Jn)

572010-2011 Mohamed ELLEUCH*Le démarrage est le plus court possible puisque, à chaque changement de plot, le couple retrouve sa valeur maximale.

Page 58: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Démarrage (BAG)

Avantages :•Le choix de la valeur de Cd (Cd ≤ CMax) d ( d Max)•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 Cd

Inconvénients :•Procédé couteux (machine asynchrone à rotor bobiné plus rhéostat)F t ti d l’é i déForte consommation de l’énergie au démarrage

Emploi : Ce mode de démarrage est utilisé quand la charge exige un couple Cd important.

582010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 59: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 moteursentre le réseau et les bornes du moteurs.Par phase, deux thyristors montés tête‐ bêche contrôlent l’un l’aller, l’autre le retour du courantcourant .En retardant à chaque alternance l’entrée en conduction du redresseur correspondant, on di i l i li édiminue la tension appliquée au moteur.

Avantage: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 démarrageEmploi:

59

p•Pour les charges qui n’exigent pas un fort couple de décollage compresseur, ventilateur…2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 60: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 moteur Valeur Appareillage Valeur TotalType 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

Contacteur 3~

0.42 2.12

BAG 1.7 Rhéostat de démarrage liquide et

contacteur 3~

0.62 2.32

602010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 61: Chapitre V : Moteurs asynchrones

612010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 62: Chapitre V : Moteurs asynchrones

14801,33%

1480

622010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 63: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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:

qEn fonctionnement normal, frotorique ≈ 0 ; δ = h: donc

si h 5 cm Rd 5.Rnsi h 5 cm Rd 5.Rn

632010-2011

Mohamed ELLEUCH

Page 64: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Shapes of slots and rotor bars(a) a double cage,(b) a deep slot,( ) p ,(c) a typical castaluminiumrotor slot.

The slot opening is closedp gto ease the squirrel cage die-cast process (no p (separate mould is required)

642010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 65: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Le moteur à encoches profondes utilise l'effet

Variation de la résistance par effet de peau

pelliculaire.

A 50 Hz, l'épaisseur de pénétration dans le cuivre est i d 1 ienviron de 1 cm environ.

Quand la vitesse du moteur croît, la fréquence des courants rotoriques diminue l'épaisseur de pénétrationcourants rotoriques diminue, l épaisseur de pénétration augmente et la résistance de la cage diminue sans aucune intervention extérieure.

Encoches normales

C l d' hi

Encoches profondes

Couple d'une machine asynchrone pour un rotor à cage et un rotor à encoches profondes

652010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 66: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Le moteur à double cage Le moteur à double cage arrive à concilier la simplicité et la robustesse du moteur à cage et les qualités du rotor bobinérotor bobiné.

Le rotor possède deux cages concentriques:l t d d é i t (b d l it dla cage externe, de grande résistance (barres de laiton de

faible section),la cage interne, en cuivre, plus inductive parce

qu'entourée 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 l'effet pelliculaire, favorise le passage du courant dans la cage externecourant dans la cage externe.

•A la vitesse nominale, la fréquence rotorique étant faible (g fs) seule la cage interne de faible résistance est active

66

(g.fs), seule la cage interne, de faible résistance est active.2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 67: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Caractéristique mécanique du moteur double cages

C•Cage Extérieur E caractérisépar R l

DC

par Re, le•Cage Intérieur I caractérisé par Ri, li

Cage ICageCage

E

i, ila caractéristique du couple en fonction de glissement g pour les

E I t l é lt t d lΩ672010-2011

Mohamed ELLEUCH

cages E , I et la résultante de la double cage D.C .

Page 68: Chapitre V : Moteurs asynchrones

torque/speed characteristicsfor different rotor typesfor different rotor types

682010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 69: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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,

i t l di )maintenance alourdie…). Electroniques : Action sur :f ( li f V i bl ) M t CAGfs (alim. a freq. Variable)⇒ Moteurs CAGpc (on récupère alors pr de pc qu’on réinjecte au réseau). ⇒ Moteurs BAG

L d t d i t P /(P ) P /(P )Le rendement devient: η = Pu /(Pa - pr )= Pu /(Pu + pjr )(acceptable pour des puissances utiles corrects)

η =

692010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 70: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Insertion de Rhéostat au rotor (BAG)

• En résonnant sur la partie stable de la caractéristique C(n)

A couple Cem constant, on aura :

Avantages :Avantages :Le Rhéostat de glissement est facile àmettre en œuvre.

Inconvénients :•Le rendement 1‐g est faible pour les petites vitesses : p 3

70

petites vitesses : pC 3 2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 71: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Cascade hyposynchrone (BAG)Le réseau fournit de la puissance :

Préseau Pa – pr.On récupère la puissance soutirée en utilisant cet ensemble deOn récupère la puissance soutirée r en utilisant cet ensemble de

redresseur onduleurLes pertes se réduisent aux pertes Joule rotoriques;

à i i i d P

pr ≈ g Pa

à puissance voisine de Pn :

pjr 3 R2 J22 Pa pc pjr pr g Pa

Le réseau fournit donc :

P P p 1 g PPréseau Pa– pr 1‐ g Pa

ou encore :

71reste toujours satisfaisant2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 72: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 vitessecourant continu avec son variateur de vitesse.

• Ce procédé largement utilisé actuellement dans les éoliennes (DFIG) avec des convertisseurs redresseur+onduleur du type(DFIG) avec des convertisseurs redresseur+onduleur du type MLI

Inconvénient :• Exige un moteur à bagues plus couteux qu’un moteur à cageExige un moteur à bagues plus couteux qu un moteur à cage,

en plus des convertisseurs statiques

722010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 73: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 :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’alimentationAction sur la tension 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 procédés est très simple : il suffit d’interposerest très simple : il suffit d interposer un gradateur triphasé entre le réseau et les bornes du moteurs

73

et les bornes du moteurs2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 74: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Emploi du gradateur (CAG)

Emploi :Emploi : • Ce procédé n’est utilisable que pour

l’entrainement de charges dont le co ple croit très ite a ec la itessecouple croit très vite avec la vitesse (Fig.5.35).

Inconvénients :• Réduction de Cd

• Rendement médiocre pour les faibles Vitesses

• Génèrent dans le réseau des Gé è e t da s e éseau desharmoniques de tension et courant (pollution harmonique).

742010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 75: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Action sur la fréquence (CAG)• La fréquence de rotation n étant toujours voisine de n = f /p• La fréquence de rotation n étant toujours voisine de ns = fs/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 à flux constant , or :

( Il faut donc changer simultanément V1 et fs ) .( Il faut donc changer simultanément V1 et fs ) .

752010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 76: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Action sur la fréquence (CAG)

Emploi : Les variateurs de vitesse équipant les moteurs à cage se répandent de plus en plus dans l’industrie, surtout dans le domaine de petite et moyenne puissance dans le cas où :

Les machines exigent une grande plage de variation de vitesse (machine

762010-2011 Mohamed ELLEUCHoutils)

Les machines sont à grandes vitesses (centrifugeuses , rectifieuses, électro-broches…)

Page 77: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Freinage Hypersynchrone (Ω> Ωs)• Exemple: Descente lancée d’un engin de levage

Le 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

77

g

2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 78: Chapitre V : Moteurs asynchrones

FREINAGE A CONTRE COURANTLa méthode consiste à intervertir deux fils d’alimentation du stator :• La méthode consiste à intervertir deux fils d alimentation du stator :

• 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:un Rhéostat Rh au rotor pour:

782010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 79: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 :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’entraîner dans le même sens que lui ⇒ Cd =0

Si 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 :

792010-2011

Mohamed ELLEUCH+

Page 80: Chapitre V : Moteurs asynchrones

q qCaractéristique mécanique• En superposant l’effet des deux champs tournant sur le rotor on obtient le couple• En superposant l effet des deux champs tournant sur le rotor on obtient le couple

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 2Ω par rapport au rotorpres à 2Ωs par rapport au rotor. il produit donc dans le fer du rotor des pertes ferromagnétiques qui b i t l d t d t !

, Cd, co

abaissent le rendement du moteur!

Pour un moteur asynchrone monophasé les paramètres:monophasé les paramètres:Cd, cosφ, η sont inférieurs à celui du moteur asynchrone triphasé.

802010-2011

Mohamed ELLEUCH

Page 81: Chapitre V : Moteurs asynchrones

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 .p

Moteur à enroulement auxiliaire

On transforme le moteur monophasé en moteur diphasé en faisant porter le stator d’un enroulement auxiliaire (Na) décalé de 90° par rapport à l’enroulement principal (Np). L’enroulement auxiliaire pp p p ( p)sera traversé par un courant ia déphasé, (l’idéal à 90°) par rapport au courant ip de (Np)

Ph. Principale Np

Alim 1

La phase auxiliaire occupe généralement un nombre d’encoches inférieur à celle du primaire autour de 1/3 Alim. 1~primaire autour de 1/3 .

Na est éliminé après le démarrage. Donc, Na peut avoir une section de fil plus

f81Ph. Auxiliaire Na

fin que Np . 2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 82: Chapitre V : Moteurs asynchrones

gOrganisationSi Ia et Ip ne donnent pas un système parfaitement diphasé, on obtient un champ p p y p p , p

elliptique ⇒ 2 Champs circulaires tournants: Direct Inverse .la résultante du couple moyen de démarrage n’est plus nulle, le champ direct est

beaucoup plus important en module, que le champ inverse.p p p q pParfois, un contact à force centrifuge ouvre la phase auxiliaire quand la vitesse à pris

une valeur suffisante. Si le condensateur est de bonne qualité, on laisse la phase auxiliaire en service, ce qui supprime tout contact mécanique.

Et AuxiliaireEt PrincipalEt. AuxiliaireEt. Principal

Pour certains moteurs, deux condensateurs sont utilisés, pour le démarrage et pour le régime permanent.

Ia

Et. AuxiliaireEt. Principal

RIa

Et. Auxiliairep

CV Ip

RV Ip

C

822010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 83: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Emploi :Les moteurs asynchrones monophasés sont assez peu employés

en moyenne et grande puissance car :

• Leurs performances en charge sont inférieures à celles des t h t i h é d ê i tmoteurs asynchrones triphasés de même puissance et

notamment pour le démarrage.

• Ces moteurs sont utilisés quand on n’a pas besoin d’un fort Cd, et en absence de réseau triphaséet en absence de réseau triphasé.

• Larger single phase motors up to about 10 Hp: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 torqueCapacitor sized for high starting torque

832010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 84: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Le stator à pôles saillants, avec anneau de court-circuit (spire de Frager) embrassant une partie du flux principal ΦpΦp.

Le courant induit dans la bagueLe courant induit dans la bague provoque un affaiblissement du flux embrassé par la bague

Le déphasage créé entre le flux auxiliaire Φa et Φp provoqueauxiliaire Φa et Φp provoque l’application d’un champ elliptique; donc Cd serait non nul.

84

Cd serait non nul.2010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 85: Chapitre V : Moteurs asynchrones

MOTEURS UNIVERSELSFONCTIONNEMENT D’UN MOTEUR SERIE (A COURANT CONTINU) ENFONCTIONNEMENT D UN MOTEUR SERIE (A COURANT CONTINU) EN

ALTERNATIF• Le sens du courant dans l’induit change simultanément avec la polarité de

l’inducteur donc le couple garde le même sensl inducteur, donc le couple garde le même 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 FONCTIONEMENTETUDE DU FONCTIONEMENT

852010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 86: Chapitre V : Moteurs asynchrones

USAGES

Pour les faibles puissances le moteur universelPour les faibles puissances, le moteur universel est employé aux appareils électroménagers (rasoirs aspirateurs robot ) Il a l’avantage de(rasoirs, aspirateurs, robot,…). Il a l avantage de fonctionner sur n’importe quel secteur sous une tension donnéetension donnée.Il est utilisé pour P < 1kW, pour avoir des couples importants à des grandes vitessescouples importants à des grandes vitesses (perceuse, traction électrique,…).P l i il t tili éPour les moyennes puissances, il est utilisé dans la «traction directe ».

862010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 87: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Définition des indices de protection (IP)

Indices de protection des enveloppes des matériels électriquesp pp qSelon norme CEI 34-5 - EN 60034-5 (IP) - EN 50102 (IK)

Exemple :pCas d'une machine IP 55

IP : Indice de protectionIP : Indice de protection

5 : Machine protégée contre la poussière et contre les contacts accidentels.Sanction de l'essai : pas d'entrée de poussière en quantité nuisible, aucun contactSanction de l essai : pas d entrée de poussière en quantité nuisible, aucun contactdirect avec des pièces en rotation. L'essai aura une durée de 2 heures (sanctionde l'essai : pas d'entrée de talc pouvant nuire au bon fonctionnement de la machine).

5 : Machine protégée contre les projections d'eau dans toutes les directions provenantd'une lance de débit 12.5l/min sous 0.3 bar à une distance de 3 m de la machine.L'essai aura une durée de 3 minutes (sanction de l'essai : pas d'effet nuisible deL essai aura une durée de 3 minutes (sanction de l essai : pas d effet nuisible del'eau projetée sur la machine).

2010-2011 87Mohamed ELLEUCH

Page 88: Chapitre V : Moteurs asynchrones

2010-2011 Mohamed ELLEUCH 88

Page 89: Chapitre V : Moteurs asynchrones

2010-2011 Mohamed ELLEUCH 89

Page 90: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Plaque signalétique

MOTEUR ASYNCHRONE en anglais : INDUCTION MOTORType : RYCN 450 L/2 référence constructeur.N° 06A584 001 : N° de sérieN 06A584 001 : N de série2007 : année de fabricationM 5000 kg : poids 480KW puissance mécanique utile sur l’arbre du moteur (½ MW).80 pu ssa ce éca que ut e su a b e du oteu (½ )cos φ 0,92 : facteur de puissance : permet le calcul de la puissance réactive consommée 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.

2010-2011 90Mohamed ELLEUCHIP55 : Indice de protection, indique la résistance du moteur à la poussière et à l’eau.IEC 60034-1 : Norme : caractéristiques assignées et caractéristiques de fonctionnement.

Page 91: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Temp. 40°C : température ambiante maximum sur le site d'exploitation.p p pS1: Régime de fonctionnement, S1 fonctionnement 24h/2450HZ : Fréquence du réseau d’alimentation. Rendement ? 87%

Pour le Stator :

11 000V Tension nominale d'alimentation 28 3A I i é i l

Glissement ? 0.73%

ω ? 312rd.s-1

28.3A : Intensité nominale.Y couplage en étoile. (Δ pour un couplage en triangle) 3~ : Moteur triphasé. CI F Cl d'i l ti (é h ff t i l d l t d i ibl 105°)

Couple sur l’arbre ? 3206Nm

CI F : Classe d'isolation (échauffement maximal des enroulements admissible 105°)∆T 80K : Echauffement maximal admissible 80°

S'ajoute des informations sur le graissageS ajoute des informations sur le graissage.2010-2011 91Mohamed ELLEUCH

Page 92: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Exercice

sont égales

922010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 93: Chapitre V : Moteurs asynchrones

Solution

932010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 94: Chapitre V : Moteurs asynchrones

942010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 95: Chapitre V : Moteurs asynchrones

952010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 96: Chapitre V : Moteurs asynchrones

962010-2011 Mohamed ELLEUCH

Page 97: Chapitre V : Moteurs asynchrones

•FINMoteursMoteurs

AsynchronesAsynchrones

972010-2011 Mohamed ELLEUCH