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Machine asynchrone
Cycle ingénieur GECSI 1 / GEER 1
Prof : Mr Mohammed KISSAOUI
Email: kissaouimed@gmail.com
Année Universitaire 2022–2023
ENSET Mohammedia
Plan
1. Présentation et Fonctionnement
1.1 Constitution
1.2 Principe de fonctionnement
2. Régime de fonctionnement d’une machine asynchrone
2.1 Fonctionnement moteur
2.2 Fonctionnement génératrice
2.3 Fonctionnement en frein électrique
3. Circuit équivalent
3.1 Machine à l’arrêt
3.2 Machine en marche normale
3.3 Circuit équivalent du moteur asynchrone
4. Bilan énergétique d’un moteur asynchrone
4.1 Puissances
4.2 Calcul du couple
5. Diagramme du cercle
5.1 Diagramme de cercle simplifié
5.2 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E
6. Conclusion
1
1. Présentation et Fonctionnement
1.1 Constitution
1.2 Principe de fonctionnement
2
1.1 Constitution
La machine asynchrone est basée sur l’enroulement d’une masse métallique par
l’action d’un champ tournant et comportant 2 armatures coaxiales l’une est fixe
appelée stator et l’autre est mobile appelée rotor ; entre les 2 armatures il y a
l’entrefer.
3
1.1 Constitution
Stator (inducteur)
C’est un anneau de tôles encoché à l’intérieur et portant un enroulement
triphasé. Cet enroulement est presque toujours relié à la source d’alimentation,
il constitue le primaire. L’enroulement est alimenté en triphasé par
l’intermédiaire de la plaque à bornes de la machine, ce qui le permet de
l’alimenter en couplage étoile ou en triangle.
4
1.1 Constitution
Rotor (induit)
Le rotor porte un enroulement polyphasé mis en court-circuit constituant ainsi
le secondaire. Le courant dans ses enroulements est induit uniquement par
le champ statorique, car le rotor n’est lié à aucune source électrique extérieure.
On distingue 2 types de rotor :
Rotor à bagues (rotor bobiné) Rotor à cage d’écureuil 5
1.2 Principe de fonctionnement
L’enroulement statorique (primaire) reçoit de l’énergie électrique du réseau de
pulsation ω , ce qui crée un champ tournant à la vitesse angulaire synchrone;
ce champ, en balayant les enroulements rotoriques (secondaire) y induit des
f.e.m et donc des courants, car les spires sont fermées sur elles-mêmes.
6
1.2 Principe de fonctionnement
ωr=ωs-ω
ωs : pulsation du champ statorique.
ω : vitesse (mécanique) de rotor.
7
La réaction du courant secondaire sur le champ primaire provoquera un
couple moteur qui entrainera la mise en mouvement du rotor dans les
sens du champ tournant primaire. La différence entre la vitesse
angulaire du champ tournant et la vitesse angulaire du rotor diminuera.
Et la pulsation des courants secondaires diminuera aussi :
2. Régime de fonctionnement
d’une machine asynchrone
2.1 Fonctionnement moteur
2.2 Fonctionnement génératrice
2.3 Fonctionnement en frein électrique
8
2.1 Fonctionnement moteur
9
Définition du glissement
nS : la vitesse de rotation du champ tournant ou vitesse de synchronisme
n : la vitesse de rotation du rotor (mécanique)
Cas limites :
- au synchronisme n =nS donc : g=0
- au démarrage n=0 donc : g=1
Ce qui donne : 0< g<1
Pour le fonctionnement moteur n est en retard par rapport à ns (n<ns)
2.2 Fonctionnement génératrice
10
Cas limites :
- au synchronisme n =nS donc : g=0
- lorsque la vitesse dépasse la vitesse de synchronisme
n +∞ donc : g -∞
n sera en avance par rapport à nS car le rotor est entrainé par un moteur
d’entrainement.
n>ns donc g <0
2.3 Fonctionnement en frein électrique
11
Cas limites :
- A l'arrêt n =0 donc : g=1
- lorsque la vitesse dépasse la vitesse de synchronisme
n -∞ donc : g +∞
Ce qui donne g >=1
La machine fonctionne en frein, lorsque la vitesse n est négative par rapport
à ns ; c'est-à-dire que le rotor tourne dans le sens inverse par rapport au
champ tournant statorique.
3. Circuit équivalent
3.1 Machine à l’arrêt
3.2 Machine en marche normale
3.3 Circuit équivalent du moteur asynchrone
12
3.1 Machine à l’arrêt
A l’arrêt un moteur asynchrone se comporte exactement comme un
transformateur dont l’enroulement secondaire a comme résistance R2 et une
réactance X2 =L2ω2 avec ω1=ω2=2πf.
13
3.2 Machine en marche normale
En charge
Il ya un courant qui circule dans l’enroulement rotorique I2 qui se calcule par
: f.e.m en charge dans le rotor (rotor en mouvement).
14
• La fréquence des courants statoriques f
• La fréquence des courants rotoriques f2=gf
3.2 Machine en marche normale
Le moteur asynchrone est équivalent à un transformateur statique dont le
secondaire est supposé sans résistance et de réactance X2 alimentant une charge
variable (R2/g)
15
Remarque :
Si on tient couple de la résistance rotorique, la charge sera :
3.3 Circuit équivalent du moteur asynchrone
Le moteur asynchrone est équivalent à un transformateur dont le circuit équivalent
est établie de telle façon à ramener les éléments rotoriques au stator avec :
• résistance rotorique ramenée au stator avec :
• inductance rotorique ramenée au stator
• f.e.m induite dans le rotor ramenée au stator
Le circuit équivalent sera alors :
16
4. Bilan énergétique d’un
moteur asynchrone
17
4.1 Puissances
4.2 Calcul du couple
4.1 Puissances
18
Puissance reçue : Pa
Un moteur asynchrone triphasé constitue un récepteur triphasé équilibré
et la puissance qu'il reçoit est, quel que soit le couplage:
Puissance transmise au rotor: Ptr
Il existe deux types de pertes au stator
• Les pertes par effet Joule:
avec R: résistance entre deux bornes du stator couplé
• Les pertes magnétiques ou fer Pfs qui, ne dépendant que de U et f :
4.1 Puissances
19
Puissance totale au rotor: Pr
Le rotor recoit le couple électromagnétique de moment T et tourne à la
vitesse Ω. Sa puissance totale est:
Pertes joules rotoriques
Pertes mécaniques
La vitesse de rotation varie peu en marche normale, ces pertes Pméc sont
pratiquement constantes.
4.1 Puissances
20
Puissance utile : Pu
Le moteur développe un couple utile de moment Tu en tournant à la
vitesse Ω ( celle du rotor)
Bilan et rendement
4.2 Calcul du couple
21
Pour simplifier posons I0≈ 0
Analyse du circuit équivalent simplifié :
• D’après le schéma, on peut considérer les pertes dans le rotor par
• La puissance utile Pu (puissance mécanique)
• La puissance électromagnétique transmise
4.2 Calcul du couple
22
• Posons X1+X’2=X’ : réactance cyclique de fuites total ramenée au primaire.
• Négligeons R1 ≈ 0 car R’2/g >> R1
D’après cette relation précédente, on voit que le couple C varie en fonction
du glissement g (donc de la vitesse n) et la caractéristique mécanique sera
C=f(g) ou C=f(n).
4.2 Calcul du couple
23
• On peut calculer le couple maximal par :
• Au démarrage n=0 donc : g=1, le couple de démarrage ou de décollage
peut être calculé par :
; ce qui donne :
le couple maximal sera alors :
Formule de Kloss
4.2 Calcul du couple
24
Remarques
5. Diagramme du cercle
25
5.1 Diagramme de cercle simplifié
5.2 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E
5.1 Diagramme de cercle simplifié
26
Soit le circuit équivalent simplifié ;(circuit rotorique ramené au primaire).
On néglige R1 et X1 I0 et les pertes fer (RF ≈ 0).
5.1 Diagramme de cercle simplifié
27
D’après l’angle φ2 ; on peut tracer le diagramme vectoriel de I1=I0+I’2
on voit que le courant I’2 est en fonction du glissement (donc de la vitesse).
En gardant I0 constant ; le point M de la figure précédente change de position
en fonction de la vitesse ; et avec plusieurs points de fonctionnement ; le
point M décrit un cercle.
5.1 Diagramme de cercle simplifié
28
M0M1 est fixe ; M change de position sur le cercle de diamètre M0M1
5.1 Diagramme de cercle simplifié
29
Conclusion
L’ensemble de point M s’appelle diagramme de cercle qui nous renseigne
sur toutes les grandeurs intervenant dans le fonctionnement du moteur
asynchrone ; à savoir :
1. Courant statorique I1 :
2. Couple électromagnétique Ce
Pour déterminer ce couple
électromagnétique ; on mesure OC
à l’échelle, et on multiplie par la
constante K.
3. Courant rotorique I2 :
5.1 Diagramme de cercle simplifié
30
4. Glissement g :
5. Droite des puissances :
D’après la figure précédente : (dans le
tringle Δ :M0M1G) :
5.1 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E
31
Etapes à suivre pour tracer le diagramme
1. On choisit une échelle de courant : 1mm a A
2. On effectue un essai à vide :
On relève l’intensité I0 et la puissance P0 ; puis on calcule le facteur de
puissance par :
3. On pratique un essai en circuit à l’arrêt (g=1) à tension
réduite :
On calcule alors le facteur de puissance par :
Si le courant de court-circuit Id pour la tension V1.
Et le courant de court-circuit I1cc pour la tension V1cc.
5.1 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E
32
Etapes à suivre pour tracer le diagramme
4. Détermination du centre du cercle
Le centre du cercle est décalé par rapport à l’horizontale passant par M0
d’un petit angle γ donné par la relation suivant :
5. On représente la droite des puissances utiles par la
droite M0M1,M0(g=0 synchronisme) et M1(g=1 démarrage)
C’est l’intersection entre la médiatrice de M0M1 et la droite décalé de l’angle
γ par rapport à l’horizontale passant par M0.
6. On représente la droite des couples par la droite M0M∞
M0 (g=0 et c=0) et M∞(g ∞)
On trace la verticale passant par M1 ; l’intersection de cette verticale avec
l’horizontale passant par M0 est K1.
On joint le point M0 avec L1 ce qui donne la droite des couples.
5.1 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E
33
Etapes à suivre pour tracer le diagramme
7. Représentation de la droite des glissements :
Toute droite parallèle à M0M∞ (droite des couples) peut être gradué linéairement
en glissement ; en commençant par g=0 appartenant à la tangente au point M0.
5.1 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E
34
Exploitation du diagramme de cercle
On trace une verticale passant par un point de fonctionnement
quelconque M :
➢ MH : représente la puissance absorbée Pa.
➢ MN : représente la puissance utile Pu.
➢ ML : représente la puissance électromagnétique Pe.
➢ NL=ML-MN=Pe-Pu=pertes rotoriques.
➢ KH : pertes mécaniques.
➢ LK : pertes statoriques.
➢ Rendement
6. Conclusion
35
6. Conclusion
36
Avantages :
faible cout d'achat
faible cout d'entretien
Inconvénients :
variation de vitesse (nécessité d'un variateur de vitesse)
la vitesse dépend de la charge.

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  • 1. Machine asynchrone Cycle ingénieur GECSI 1 / GEER 1 Prof : Mr Mohammed KISSAOUI Email: kissaouimed@gmail.com Année Universitaire 2022–2023 ENSET Mohammedia
  • 2. Plan 1. Présentation et Fonctionnement 1.1 Constitution 1.2 Principe de fonctionnement 2. Régime de fonctionnement d’une machine asynchrone 2.1 Fonctionnement moteur 2.2 Fonctionnement génératrice 2.3 Fonctionnement en frein électrique 3. Circuit équivalent 3.1 Machine à l’arrêt 3.2 Machine en marche normale 3.3 Circuit équivalent du moteur asynchrone 4. Bilan énergétique d’un moteur asynchrone 4.1 Puissances 4.2 Calcul du couple 5. Diagramme du cercle 5.1 Diagramme de cercle simplifié 5.2 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E 6. Conclusion 1
  • 3. 1. Présentation et Fonctionnement 1.1 Constitution 1.2 Principe de fonctionnement 2
  • 4. 1.1 Constitution La machine asynchrone est basée sur l’enroulement d’une masse métallique par l’action d’un champ tournant et comportant 2 armatures coaxiales l’une est fixe appelée stator et l’autre est mobile appelée rotor ; entre les 2 armatures il y a l’entrefer. 3
  • 5. 1.1 Constitution Stator (inducteur) C’est un anneau de tôles encoché à l’intérieur et portant un enroulement triphasé. Cet enroulement est presque toujours relié à la source d’alimentation, il constitue le primaire. L’enroulement est alimenté en triphasé par l’intermédiaire de la plaque à bornes de la machine, ce qui le permet de l’alimenter en couplage étoile ou en triangle. 4
  • 6. 1.1 Constitution Rotor (induit) Le rotor porte un enroulement polyphasé mis en court-circuit constituant ainsi le secondaire. Le courant dans ses enroulements est induit uniquement par le champ statorique, car le rotor n’est lié à aucune source électrique extérieure. On distingue 2 types de rotor : Rotor à bagues (rotor bobiné) Rotor à cage d’écureuil 5
  • 7. 1.2 Principe de fonctionnement L’enroulement statorique (primaire) reçoit de l’énergie électrique du réseau de pulsation ω , ce qui crée un champ tournant à la vitesse angulaire synchrone; ce champ, en balayant les enroulements rotoriques (secondaire) y induit des f.e.m et donc des courants, car les spires sont fermées sur elles-mêmes. 6
  • 8. 1.2 Principe de fonctionnement ωr=ωs-ω ωs : pulsation du champ statorique. ω : vitesse (mécanique) de rotor. 7 La réaction du courant secondaire sur le champ primaire provoquera un couple moteur qui entrainera la mise en mouvement du rotor dans les sens du champ tournant primaire. La différence entre la vitesse angulaire du champ tournant et la vitesse angulaire du rotor diminuera. Et la pulsation des courants secondaires diminuera aussi :
  • 9. 2. Régime de fonctionnement d’une machine asynchrone 2.1 Fonctionnement moteur 2.2 Fonctionnement génératrice 2.3 Fonctionnement en frein électrique 8
  • 10. 2.1 Fonctionnement moteur 9 Définition du glissement nS : la vitesse de rotation du champ tournant ou vitesse de synchronisme n : la vitesse de rotation du rotor (mécanique) Cas limites : - au synchronisme n =nS donc : g=0 - au démarrage n=0 donc : g=1 Ce qui donne : 0< g<1 Pour le fonctionnement moteur n est en retard par rapport à ns (n<ns)
  • 11. 2.2 Fonctionnement génératrice 10 Cas limites : - au synchronisme n =nS donc : g=0 - lorsque la vitesse dépasse la vitesse de synchronisme n +∞ donc : g -∞ n sera en avance par rapport à nS car le rotor est entrainé par un moteur d’entrainement. n>ns donc g <0
  • 12. 2.3 Fonctionnement en frein électrique 11 Cas limites : - A l'arrêt n =0 donc : g=1 - lorsque la vitesse dépasse la vitesse de synchronisme n -∞ donc : g +∞ Ce qui donne g >=1 La machine fonctionne en frein, lorsque la vitesse n est négative par rapport à ns ; c'est-à-dire que le rotor tourne dans le sens inverse par rapport au champ tournant statorique.
  • 13. 3. Circuit équivalent 3.1 Machine à l’arrêt 3.2 Machine en marche normale 3.3 Circuit équivalent du moteur asynchrone 12
  • 14. 3.1 Machine à l’arrêt A l’arrêt un moteur asynchrone se comporte exactement comme un transformateur dont l’enroulement secondaire a comme résistance R2 et une réactance X2 =L2ω2 avec ω1=ω2=2πf. 13
  • 15. 3.2 Machine en marche normale En charge Il ya un courant qui circule dans l’enroulement rotorique I2 qui se calcule par : f.e.m en charge dans le rotor (rotor en mouvement). 14 • La fréquence des courants statoriques f • La fréquence des courants rotoriques f2=gf
  • 16. 3.2 Machine en marche normale Le moteur asynchrone est équivalent à un transformateur statique dont le secondaire est supposé sans résistance et de réactance X2 alimentant une charge variable (R2/g) 15 Remarque : Si on tient couple de la résistance rotorique, la charge sera :
  • 17. 3.3 Circuit équivalent du moteur asynchrone Le moteur asynchrone est équivalent à un transformateur dont le circuit équivalent est établie de telle façon à ramener les éléments rotoriques au stator avec : • résistance rotorique ramenée au stator avec : • inductance rotorique ramenée au stator • f.e.m induite dans le rotor ramenée au stator Le circuit équivalent sera alors : 16
  • 18. 4. Bilan énergétique d’un moteur asynchrone 17 4.1 Puissances 4.2 Calcul du couple
  • 19. 4.1 Puissances 18 Puissance reçue : Pa Un moteur asynchrone triphasé constitue un récepteur triphasé équilibré et la puissance qu'il reçoit est, quel que soit le couplage: Puissance transmise au rotor: Ptr Il existe deux types de pertes au stator • Les pertes par effet Joule: avec R: résistance entre deux bornes du stator couplé • Les pertes magnétiques ou fer Pfs qui, ne dépendant que de U et f :
  • 20. 4.1 Puissances 19 Puissance totale au rotor: Pr Le rotor recoit le couple électromagnétique de moment T et tourne à la vitesse Ω. Sa puissance totale est: Pertes joules rotoriques Pertes mécaniques La vitesse de rotation varie peu en marche normale, ces pertes Pméc sont pratiquement constantes.
  • 21. 4.1 Puissances 20 Puissance utile : Pu Le moteur développe un couple utile de moment Tu en tournant à la vitesse Ω ( celle du rotor) Bilan et rendement
  • 22. 4.2 Calcul du couple 21 Pour simplifier posons I0≈ 0 Analyse du circuit équivalent simplifié : • D’après le schéma, on peut considérer les pertes dans le rotor par • La puissance utile Pu (puissance mécanique) • La puissance électromagnétique transmise
  • 23. 4.2 Calcul du couple 22 • Posons X1+X’2=X’ : réactance cyclique de fuites total ramenée au primaire. • Négligeons R1 ≈ 0 car R’2/g >> R1 D’après cette relation précédente, on voit que le couple C varie en fonction du glissement g (donc de la vitesse n) et la caractéristique mécanique sera C=f(g) ou C=f(n).
  • 24. 4.2 Calcul du couple 23 • On peut calculer le couple maximal par : • Au démarrage n=0 donc : g=1, le couple de démarrage ou de décollage peut être calculé par : ; ce qui donne : le couple maximal sera alors : Formule de Kloss
  • 25. 4.2 Calcul du couple 24 Remarques
  • 26. 5. Diagramme du cercle 25 5.1 Diagramme de cercle simplifié 5.2 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E
  • 27. 5.1 Diagramme de cercle simplifié 26 Soit le circuit équivalent simplifié ;(circuit rotorique ramené au primaire). On néglige R1 et X1 I0 et les pertes fer (RF ≈ 0).
  • 28. 5.1 Diagramme de cercle simplifié 27 D’après l’angle φ2 ; on peut tracer le diagramme vectoriel de I1=I0+I’2 on voit que le courant I’2 est en fonction du glissement (donc de la vitesse). En gardant I0 constant ; le point M de la figure précédente change de position en fonction de la vitesse ; et avec plusieurs points de fonctionnement ; le point M décrit un cercle.
  • 29. 5.1 Diagramme de cercle simplifié 28 M0M1 est fixe ; M change de position sur le cercle de diamètre M0M1
  • 30. 5.1 Diagramme de cercle simplifié 29 Conclusion L’ensemble de point M s’appelle diagramme de cercle qui nous renseigne sur toutes les grandeurs intervenant dans le fonctionnement du moteur asynchrone ; à savoir : 1. Courant statorique I1 : 2. Couple électromagnétique Ce Pour déterminer ce couple électromagnétique ; on mesure OC à l’échelle, et on multiplie par la constante K. 3. Courant rotorique I2 :
  • 31. 5.1 Diagramme de cercle simplifié 30 4. Glissement g : 5. Droite des puissances : D’après la figure précédente : (dans le tringle Δ :M0M1G) :
  • 32. 5.1 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E 31 Etapes à suivre pour tracer le diagramme 1. On choisit une échelle de courant : 1mm a A 2. On effectue un essai à vide : On relève l’intensité I0 et la puissance P0 ; puis on calcule le facteur de puissance par : 3. On pratique un essai en circuit à l’arrêt (g=1) à tension réduite : On calcule alors le facteur de puissance par : Si le courant de court-circuit Id pour la tension V1. Et le courant de court-circuit I1cc pour la tension V1cc.
  • 33. 5.1 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E 32 Etapes à suivre pour tracer le diagramme 4. Détermination du centre du cercle Le centre du cercle est décalé par rapport à l’horizontale passant par M0 d’un petit angle γ donné par la relation suivant : 5. On représente la droite des puissances utiles par la droite M0M1,M0(g=0 synchronisme) et M1(g=1 démarrage) C’est l’intersection entre la médiatrice de M0M1 et la droite décalé de l’angle γ par rapport à l’horizontale passant par M0. 6. On représente la droite des couples par la droite M0M∞ M0 (g=0 et c=0) et M∞(g ∞) On trace la verticale passant par M1 ; l’intersection de cette verticale avec l’horizontale passant par M0 est K1. On joint le point M0 avec L1 ce qui donne la droite des couples.
  • 34. 5.1 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E 33 Etapes à suivre pour tracer le diagramme 7. Représentation de la droite des glissements : Toute droite parallèle à M0M∞ (droite des couples) peut être gradué linéairement en glissement ; en commençant par g=0 appartenant à la tangente au point M0.
  • 35. 5.1 Diagramme de cercle normalisé par l’U.T.E 34 Exploitation du diagramme de cercle On trace une verticale passant par un point de fonctionnement quelconque M : ➢ MH : représente la puissance absorbée Pa. ➢ MN : représente la puissance utile Pu. ➢ ML : représente la puissance électromagnétique Pe. ➢ NL=ML-MN=Pe-Pu=pertes rotoriques. ➢ KH : pertes mécaniques. ➢ LK : pertes statoriques. ➢ Rendement
  • 37. 6. Conclusion 36 Avantages : faible cout d'achat faible cout d'entretien Inconvénients : variation de vitesse (nécessité d'un variateur de vitesse) la vitesse dépend de la charge.