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18 Mar 2023
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  1. Les machines asynchrones
  2. Mat de 1893, 7,5 kW 1700 tr/min, 50 V
  3. Mat 0,75 kW 1905-1912 1912-1922 1922-1933 1933-1946 1946-1961 1961-1970 1970-…
  4. Les machines asynchrones
  5. Les machines asynchrones sont surtout utilisées comme moteurs. 80% des moteurs électriques sont des moteurs asynchrones Les moteurs asynchrones sont très robustes Leur gamme de puissance s’étale de quelques watts à une dizaine de mégawatts.
  6. Constitution de la machine asynchrone
  7. La machine asynchrone est constituée d ’un stator semblable à celui d ’une machine synchrone. Ce stator, alimenté par des courants triphasés, produit un champ magnétique tournant (cf th de Ferraris).
  8. Le stator
  9. Plaque à bornes Plaque signalétique
  10. Carcasse usinée
  11. Stator avant bobinage
  12. Stator après bobinage
  13. Le rotor
  14. Le rotor est constitué d ’un ensemble de conducteurs en court-circuit appelé « cage d ’écureuil » Rotor en cage d ’écureuil
  15. Cage d ’écureuil en aluminium moulé
  16. Rotor en cage d ’écureuil
  17. Rotor bobiné rhéostat
  18. les 3 bagues d ’un rotor bobiné
  19. La plaque signalétique
  20. Plaque signalétique cos  puissance vitesse nominale Fréquence des courants statoriques rendement nombre de phases
  21. Plaque signalétique tension maximum aux bornes d ’un enroulement tension maximum entre l ’extrémité d ’un enroulement et le neutre
  22. Plaque signalétique intensité normale absorbée sur les lignes pour un couplage triangle intensité normale absorbée sur les lignes pour un couplage étoile Température maximale d ’utilisation
  23. Plaque signalétique classe de l ’isolement Service continu
  24. Plaque signalétique indice de protection IP
  25. Indice de protection IP premier chiffre = degré de protection des personnes contre l’accès aux parties dangereuses et la protection des matériels contre la pénétration des corps étrangers deuxième chiffre =degré de protection contre les effets nuisibles de la pénétration de l’eau protection maximum = IP 66 IP 54 = protection contre la pénétration des poussières et protection contre les projections d ’eau
  26. Plaque signalétique
  27. Plaque signalétique IP 55 = protection contre la pénétration des poussières et protection contre les jets d ’eau
  28. Plaque signalétique
  29. plaque à bornes Disposition des enroulements du stator à partir de la plaque à bornes lamelle de cuivre
  30. 1 2 3 Couplage en étoile
  31. 1 2 3 Couplage en triangle
  32. Principe de fonctionnement de la machine asynchrone
  33. N N S S Stator tétrapolaire par exemple
  34. N N S S
  35. N N S S rotor
  36. N N S S 
  37. N N S S 
  38. N N S S 
  39. N N S stator S  Le pôle nord stator tire le pôle sud rotor Le pôle sud stator repousse le pôle sud rotor rotor Mise en rotation du rotor
  40. N N S S  Apparition des pôle dans le rotor Le flux diminue
  41. N N S S  Apparition des pôle dans le rotor flux rotorique induit courant rotorique induit S
  42. Sur la périphérie du rotor, il y a nécessairement autant de pôles que sur le stator; cela résulte de leur nature : ce sont des pôles induits Ces pôles tournent à la même vitesse de rotation que ceux du stator L ’attraction/répulsion mutuelle entre pôles statoriques et rotoriques développe le couple moteur; ce couple est le couple électromagnétique
  43. Le couple électromagnétique résulte des courants induits, et donc des variations de flux. Si le rotor tourne à la même vitesse que le stator, il n ’y a plus de variation de flux. Donc le rotor ne peut tourner qu’à une vitesse inférieure à celle du champ statorique. La vitesse de synchronisme ne peut en aucun cas être atteinte (en fonctionnement moteur). D’où le nom de machine asynchrone.
  44. Le rotor tourne à une vitesse Nr<Ns inférieure à celle du champ statorique. Le rotor glisse donc par rapport à ses propres pôles. Ce glissement provoque une perte d ’énergie qui lui est proportionnelle.
  45. Comparaison mécanique N N S S S S N N rotor  
  46. Comparaison mécanique N N S S S S N N rotor    ’ Entraînement par friction, (embrayage)
  47. Bilan de puissance du moteur asynchrone
  48. Puissance absorbée Pa=3.V1.J1.cos1 Pertes Joule stator Pertes magnétiques stator Puissance transmise au rotor Pe= Ce.(2.Ns) Pertes Joule rotor Pertes magnétiques rotor0 Puissance mécanique Pm= Ce.(2.Nr) Pertes mécaniques Puissance utile Pu= Cu.(2.Nr)
  49. Puissance absorbée Pa=3.V1.J1.cos1 Pertes Joule stator Pertes magnétiques stator Puissance transmise au rotor Pe= Ce.(2.Ns) Pertes Joule rotor Pertes magnétiques rotor0 Puissance mécanique Pm= Ce.(2.Nr) Pertes mécaniques Puissance utile Pu= Cu.(2.Nr) stator rotor
  50. La transmission de puissance au rotor se fait avec perte de vitesse mais à couple constant Puissance absorbée Pa=3.V1.J1.cos1 Pertes Joule stator Pertes magnétiques stator Puissance transmise au rotor Pe= Ce.(2.Ns) Pertes Joule rotor Pertes magnétiques rotor0 Puissance mécanique Pm= Ce.(2.Nr) Pertes mécaniques Puissance utile Pu= Cu.(2.Nr)
  51. Puissance transmise au rotor Pe= Ce.(2.Ns) Pertes Joule rotor Pertes magnétiques rotor0 Puissance mécanique Pm= Ce.(2.Nr) La différence de puissance est perdue par effet Joule dans le rotor Pjr = Ce.2.Ns-Ce. 2.Nr = C. 2.(Ns-Nr) Introduisons le glissement : g = Ns - Nr Ns
  52. pjr = g. 2.Ce.Ns = g.Pe Rendement :  = Pu Pa Pm Pe = N Ns = 1 - g  < N Ns = 1 - g Pu Pm Pm Pe Pe Pa < Pm Pe = . .
  53. Modélisation de la machine asynchrone Etablissement du modèle électrique d ’une phase de la machine asynchrone
  54. La machine asynchrone est un transformateur à champ tournant. Soit I1 le courant d ’une phase statorique, soit I2 le courant d ’une phase rotorique. Ces courants engendrent des forces magnétomotrices tournantes de vitesse Ns : n’1I1 et n’2I2, n’1et n’2 étant les nombres de spires de chaque enroulement corrigés par les coefficients de Kapp.
  55. R1 I1F I10 n’1 I1 l1 stator = primaire R2 n’2 l2 rotor = secondaire
  56. Quelle est la fréquence des courants rotorique ? La vitesse relative de l ’induction statorique / au rotor est : Ns - Nr = g . Ns Le rotor ayant p paires de pôles, la fréquence des f.é.m. rotoriques est donc :  = (2.f)/p  fr = p. (g.Ns) Or Ns = f/p Donc fr = g.f
  57. 0 = j n ’2  - j  l2 I2 - R2 I2 g V1 = j n ’1  + j  l1 I1 + R1 I1 Pour une phase du stator : V2 = 0 = j n ’2(g)  - j (g) l2 I2 - R2 I2 Pour une phase du rotor :
  58. R1 I1F I10 n’1 I1 l1 stator = primaire R2 n’2 l2 rotor = secondaire  g
  59. R1 I1F I10 n’1 I1 l1 stator = primaire R2/g n’2 l2 rotor = secondaire   I2
  60. R1(n ’2/n ’1)2 I1F I10 n’1 I1 stator = primaire R2/g n’2 ls rotor = secondaire   I2 Pertes fer Pertes Joule stator Pe
  61. Couple et courant à glissement faible
  62. On suppose : R2/g >> ls et on néglige R1(n ’2/n ’1)2 I1F I10 n’1 I1 R2/g n’2   I2 Le schéma équivalent devient :
  63. I1F I10 I1 R2/g I2 Soit : I2 = n 2’ n 1’ V1 g R2 2 I1 = I1v + n 2’ n 1’ V1 g R2
  64. I10 I1F I1V V1 2 n 2’ n 1’ V1 g R2 I1 1
  65. I10 I1F I1V V1 2 n 2’ n 1’ V1 g R2 I1 1 Si N augmente : g diminue 
  66. I10 I1F I1V V1 2 n 2’ n 1’ V1 g R2 I1 1 Si N diminue, g augmente
  67. Pe = 3 R2 g I2 2 = Ce  Soit : = 3 R2 g n 2’ n 1’ V1 g R2 2 2 2 2 n 2’ 2 2 Ce = 3 n 1’ V1 g R2 s = k V1 2 g R2 Ce N Ns g=0 g=1
  68. 3 MAT de 0,18 kW à 45 kW
  69. Couple et courant à fort glissement
  70. R2/g R1(n ’2/n ’1)2 I1F I10 n’1 I1 n’2 l s I2 Considérant que R1 n 2’ n 1’ 2 << j ls I2 = n 2’ n 1’ V1 g R2 1 R1 n 2’ n 1’ 2 + + j ls I2 = n 2’ n 1’ V1 g R2 1 + j ls
  71. n 2’ 2 2 Ce = 3 n 1’ V1 s g R2 1 + 2 ls 2 2 g R2 n 2’ 2 2 Ce = 3 n 1’ V1 s g  ls R2 1 + g  ls  ls 1 R2
  72.  ls R2 g0 = Ce est max pour g = g0 soit Ce max = K V1 2 2 2 Ce = V1 g 1 + g g0 g0 K . . k V1 2 f 2. 2 = = k ’. V1 2 f2
  73. g << g0 Ce = K V1 2 g g0 g0 g g0 g >> g0 Ce = K V1 2 g Ce Ns
  74. zone de fonctionnement en générateur zone de fonctionnement en moteur Ns N Ce g =1 g = 0 Cmax
  75. Influence d ’une variation de la tension d ’alimentation statorique sur la caractéristique mécanique
  76. N Ce Cmax (V1=U) Cmax (V1=V) Ns
  77. N Ce Ns couple au démarrage en Y couple au démarrage en 
  78. KM3 KM1 KM2 KM1 M 3 ~ Démarreur étoile/triangle
  79. Influence d ’une variation de la fréquence des tensions statoriques
  80. 50 25 75 100 Ce N V/f = cte  Cmax = cte
  81. Influence d ’une variation de la résistance rotorique sur la caractéristique mécanique
  82. N Ce R2 R ’2> R2 R ’’2> R ’2 Cmax=cte
  83. N R2 R ’’’2 R ’’’2 + R2 couple au démarrage Ce
  84. N Ce R ’’2 + R2 R ’’2 R2
  85. Ce R ’2 R ’2 + R2 R2
  86. Ce R2 R2
  87. N R2 R ’’’2 R ’’’2 + R2 couple au démarrage Ce couple résistant
  88. N Ce Cmot - Crésist =  J d dt couple résistant Vitesse atteinte = 0
  89. N Ce R ’’2 + R2 R ’’2 R2 couple résistant
  90. N Ce Cmot - Crésist =  J d dt R ’’2 + R2 couple résistant Vitesse atteinte = 0
  91. Ce R ’2 R ’2 + R2 R2
  92. N Ce R ’2 + R2 couple résistant Cmot - Crésist =  J = 0 Cmot - Crésist =  J d dt >0 Cmot - Crésist =  J d dt >0 Cmot - Crésist =  J d dt >0 Cmot - Crésist =  J d dt >0 Cmot - Crésist =  J d dt >0 Cmot - Crésist =  J d dt >0 Cmot - Crésist =  J d dt >0
  93. Ce R2 R2 couple résistant
  94. N Ce Cmot - Crésist =  J d dt R ’2 + R2 couple résistant R2 = 0
  95. Freinage du moteur asynchrone
  96. Lors de l ’arrêt d ’une machine, il est souvent nécessaire de réduire le temps de décélération dû à la seule inertie des parties tournantes. Le freinage électrique offre l ’avantage de ne mettre en œuvre aucune pièce d ’usure. Dans certains cas, l ’énergie mécanique récupérée peut être réinjectée sur le réseau électrique.
  97. Freinage du moteur asynchrone Freinage par injection de courant continu
  98. Freinage par injection de courant continu d ’un moteur à cage d ’écureuil : M 3 ~ freinage M 3 ~ fonctionnement
  99. Freinage par injection de courant continu Ce N 0 couple de freinage
  100. Réglage du freinage par injection de courant continu d ’un moteur à cage d ’écureuil : Ce N 0 couple de freinage couple de freinage
  101. M 3 ~ Freinage par injection de courant continu d ’un moteur à rotor bobiné M 3 ~ démarrage M 3 ~ fonctionnement M 3 ~ freinage
  102. Réglage du freinage par injection de courant continu d ’un moteur à rotor bobiné Ce N 0 couple de freinage
  103. Freinage du moteur asynchrone Freinage par contre courant
  104. M 3 ~ Freinage par contre-courant d ’un moteur à rotor bobiné M 3 ~ démarrage M 3 ~ fonctionnement M 3 ~ freinage
  105. Freinage en contre courant d ’un moteur à cage M 3 ~ fonctionnement M 3 ~ freinage
  106. Freinage par contre-courant couple de freinage Ce N
  107. Freinage du moteur asynchrone Freinage hyper synchrone
  108. zone de fonctionnement en générateur zone de fonctionnement en moteur Ns N Ce g =1 g = 0 Cmax couple de freinage Freinage hyper synchrone ou « naturel »
  109. Ce N 0 couple de freinage N ’ N ’’ De l ’utilité de réduire la résistance insérée au rotor lors du freinage hyper synchrone :
  110. That’s all Folks !
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