Transcript D3480
Machines asynchrones Régime permanent par Michel POLOUJADOFF Professeur à l’université Pierre-et-Marie-Curie Laboratoire d’électrotechnique 1. 1.1 1.2 1.3 Principes de base...................................................................................... Principe élémentaire .................................................................................... Considérations générales sur les transmissions asynchrones................. Réalisations................................................................................................... D 3 480 — — — 2 2 2 3 2. 2.1 2.2 Analyse du fonctionnement sinusoïdal triphasé permanent ....... Équations de fonctionnement en régime permanent ............................... Schéma équivalent....................................................................................... — — — 4 4 6 3. Caractéristiques de fonctionnement à tension et fréquence constantes ......................................................................... Fréquence de glissement............................................................................. Circuit équivalent : définition et propriétés................................................ Caractéristiques approximatives de fonctionnement d’un moteur à tension et fréquence constantes .............................................................. Fonctionnements en génératrice et en frein. Réversibilité ....................... Puissance réactive absorbée par une machine à induction...................... Diagrammes circulaires d’impédance et d’admittance............................. Principaux schémas équivalents utilisés en pratique ............................... Moteurs à résistance statorique négligeable ............................................. — — — 7 7 7 — — — — — — 8 9 9 10 11 11 — — — — — — 12 12 12 13 13 14 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Démarrage et contrôle de la vitesse à fréquence et tension constantes .............................................................................. Démarrage sous tension réduite................................................................. Démarrage par rhéostat rotorique des moteurs à rotor bobiné............... Moteurs à encoches profondes et moteurs à double cage....................... Commande de la vitesse par utilisation d’un rhéostat rotorique............. Commande de la vitesse par soustraction d’énergie rotorique ............... 5. 5.1 5.2 Réglage de la vitesse par variation de fréquence ........................... Notions de base............................................................................................ Exemple de schéma de régulation de vitesse pour un ensemble à machine à induction.................................................................................. — — 14 14 — 15 6. 6.1 Annexes ....................................................................................................... Représentation graphique d’une fonction homographique complexe d’une variable réelle..................................................................................... Existence d’une droite des couples ............................................................ — 16 — — 16 17 6.2 lus de la moitié de l’énergie électrique produite dans les pays industrialisés est transformée en énergie mécanique, par des moteurs. La plupart de ceux-ci appartiennent à l’un des types suivants : à courant continu, asynchrone, synchrone, à courant alternatif à collecteur. On estime généralement que les moteurs asynchrones représentent 70 % de la puissance installée, et qu’ils absorbent 40 à 50 % de l’énergie totale consommée. Même si ces chiffres sont imprécis, ils montrent l’importance de ce type d’équipement. P Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 480 - 1 MACHINES ASYNCHRONES ______________________________________________________________________________________________________________ Le texte qui suit est destiné à expliquer, dans ses grandes lignes, le fonctionnement des machines asynchrones en régime permanent. Il ne prétend pas épuiser le sujet, car les problèmes posés par les essais et l’analyse des pertes ont été passés sous silence. Par contre, on a donné en détail les caractéristiques d’utilisation, qui doivent être largement connues et qui permettent de distinguer les fonctionnements possibles de ceux qui ne le sont pas. L’article sera complété par la suite par une deuxième partie consacrée aux régimes transitoires. 1. Principes de base 1.1 Principe élémentaire Considérons le dispositif représenté par la figure 1a : un aimant et un disque placés face à face fixés à deux arbres disposés dans le prolongement l’un de l’autre. Nous entraînons dans un certain sens l’arbre solidaire de l’aimant tandis que nous laissons l’autre libre de toute contrainte mécanique. Désignons par M une petite zone de la plaque. Si l’aimant et la plaque tournent à deux vitesses différentes, M se trouvera d’abord en face d’un pôle puis en face de l’autre. Les masses métalliques constituant cette petite zone seront donc alternativement traversées par des lignes de force, soumises à un flux variable dans le temps ; elles seront le siège de courants de même nature que les courants de Foucault. , ,,, , , N S M Stator (les enroulements sont alimentés par des courants triphasés équilibrés) Rotor (les enroulements sont en court-circuit) a b La loi de Laplace implique que des forces se développent ; la loi de Lenz indique que leur résultante doit tendre à faire disparaître la cause qui leur a donné naissance. Or cette cause est l’existence des courants, eux-mêmes dus à la différence de vitesse. Figure 1 – Principe des moteurs asynchrones à induction ■ Les forces électromagnétiques vont tendre à entraîner le disque de telle sorte qu’il tourne à la même vitesse que l’aimant. Si l’aimant tourne le plus vite, le disque tendra à le rattraper, le soumettant ainsi à un couple de freinage. Si, au contraire, le disque va le plus vite, l’aimant sera alors soumis à un couple d’accélération. Cette transmission, possible du fait de la différence de vitesse des deux éléments l’un par rapport à l’autre, est une « transmission asynchrone ». Sans la différence de vitesse, aucun courant induit ne naîtrait dans la plaque. Ce mode de transmission ne présente qu’un intérêt limité : on part, en effet, d’un effort mécanique sur l’aimant, à une certaine vitesse, pour obtenir, sur le disque, un effort mécanique à une vitesse inférieure. 1.2 Considérations générales sur les transmissions asynchrones ■ Un autre système présente un grand intérêt. Considérons le dispositif représenté par la figure 1b : il est constitué par deux cylindres concentriques, séparés par un entrefer et faits d’un matériau magnétique. Le cylindre extérieur est pourvu d’encoches occupées par des enroulements parcourus par des courants triphasés susceptibles de créer un champ tournant dans l’entrefer. Le cylindre intérieur comporte lui aussi des encoches dans lesquelles sont disposés des enroulements en court-circuit sur eux-mêmes. Laissons immobile le cylindre extérieur (ou stator) et faisons circuler, dans les enroulements qu’il porte, des courants triphasés de pulsation w ; ces courants engendrent, dans l’entrefer, un champ d’induction magnétique tournant à la vitesse w /p (p étant le nombre de paires de pôles du stator). Ce champ engendre, à son tour, dans les enroulements en court-circuit portés par le cylindre intérieur, des courants comparables aux courants de Foucault. La loi de réaction de Lenz nous indique que le cylindre intérieur (ou rotor) tendra à se déplacer pour que s’annulent ces courants. D 3 480 - 2 La figure 2 représente un dispositif entièrement différent de celui de la figure 1a. Il présente néanmoins, avec ce dernier, des analogies profondes. Il est constitué par deux éléments liés à des arbres coaxiaux : — l’un est une cuve emplie d’un liquide visqueux ; — l’autre un ensemble de palettes pouvant tourner dans ce liquide. Si on fait tourner les palettes, celles-ci tendent à entraîner avec elles l’huile, qui, par frottement, tend à entraîner la cuve munie d’ailleurs de palettes intérieures. On transmet donc, de cette manière, un couple de l’arbre des palettes à l’arbre de la cuve. Cette transmission du couple ne peut s’effectuer que s’il existe une différence de vitesse entre l’arbre menant et l’arbre mené. D’autre part, la transmission est réversible car, si l’on fait tourner la cuve, elle tend, par l’intermédiaire de l’huile, à entraîner les palettes. Si l’on compare les dispositifs des figures 1a et 2, les palettes et l’aimant jouent le même rôle, la cuve étant l’équivalent de la plaque de cuivre et l’huile celui des courants de Foucault. Les pertes par friction dans l’huile sont comparables aux pertes par effet Joule dues aux courants de Foucault. Considérons donc l’un ou l’autre de ces deux dispositifs et appelons W la vitesse angulaire de l’arbre menant, w celle de l’arbre mené. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique ______________________________________________________________________________________________________________ MACHINES ASYNCHRONES , , ,,, , ,,, , , c a Bague tournante Isolant Arbre Enroulement Rhéostat extérieur a b Figure 3 – Principe de réalisation des machines à induction à rotor bobiné ■ On réalise un rotor bobiné en disposant dans les encoches trois enroulements de même nature que ceux du stator. Figure 2 – Transmission hydraulique asynchrone Si G est le couple appliqué sur l’arbre menant, c’est aussi celui appliqué sur l’arbre mené. La puissance reçue par le dispositif est G W , celle qu’il fournit à l’arbre mené est Gw. Le rendement de la transmission est donc w /W. Si l’on introduit le glissement WÐw w g = -------------- = 1 Ð ---W W b Balai fixe (1) on voit que le rendement est égal à 1 – g . Les pertes ainsi calculées (g fois la puissance G × W ) sont les pertes par courants de Foucault dans le disque de cuivre ou par frottements dans l’huile. Encore avons-nous négligé les pertes qui se produisent dans les paliers supportant les deux arbres. Cette étude nous montre donc que la valeur maximale du rendement d’une transmission asynchrone est 1 – g , g étant le glissement. Si, alors, on réunit entre elles les trois entrées d’une part, les trois sorties d’autre part, l’ensemble est équivalent à la cage d’écureuil. En fait, on préfère la disposition en bobinage à celle à cage lorsque l’on veut pouvoir associer au circuit de l’induit des impédances auxiliaires. On prévoit pour cela un dispositif particulier comme celui de la figure 3a ; les trois sorties sont réunies et les trois entrées sont reliées à trois bagues centrées sur l’arbre et liées rigidement à celui-ci par un isolant de bonne qualité mécanique. Sur chacune de ces bagues frotte un balai fixe dans l’espace et on peut alors effectuer un montage tel que celui de la figure 3b. On rencontre toujours une certaine difficulté pour connecter les trois phases aux trois bagues. On voit sur la figure 3a que les bagues des phases « b » et « c » sont traversées par le fil de la phase « a », ce qui nécessite un isolement supplémentaire. ■ La figure 4 représente, de façon moins schématique, les éléments d’une machine asynchrone. 1.3 Réalisations Le principe du moteur asynchrone a été étudié au paragraphe 1.1 et illustré par la figure 1. Sur cette figure, les enroulements du stator sont analogues à ceux décrits dans l’article Bobinage des machines tournantes. Les enroulements du rotor, quant à eux, peuvent être réalisés principalement de deux manières ; ils sont soit en « cage d’écureuil » soit « bobinés ». ■ Pour la réalisation d’une cage dite d’écureuil, on ménage, dans le rotor, des encoches dans lesquelles on dispose des conducteurs non nécessairement isolés des tôles. Les extrémités de ces conducteurs sont reliées, de chaque côté, à deux couronnes conductrices appelées « anneaux de court-circuit ». Plusieurs techniques de réalisation sont possibles. ● On peut, par exemple, réaliser séparément les conducteurs, en cuivre, et les anneaux de court-circuit, en cuivre ou en bronze ; après avoir enfoncé les conducteurs dans les encoches, séparément, au marteau pneumatique, on en brase les extrémités aux anneaux de court-circuit. ● Une autre technique consiste à couler sous pression, en une seule fois, tous les conducteurs et les anneaux de court-circuit dans un moule ; on utilise généralement l’aluminium, qui fond vers 700 °C, plutôt que le cuivre qui fond vers 1 100 °C. a stator bobiné b rotor à bagues c rotor à cage d schéma d'une cage d'écureuil séparée de la tôlerie du rotor Figure 4 – Parties principales de la machine asynchrone Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 480 - 3 MACHINES ASYNCHRONES ______________________________________________________________________________________________________________ 2. Analyse du fonctionnement sinusoïdal triphasé permanent Dans ce paragraphe, nous nous limitons au cas d’une machine bipolaire à stator et rotor triphasés. 2.1 Équations de fonctionnement en régime permanent On considère sur la figure 5a, un moteur constitué d’un stator et d’un rotor. Chacun porte un enroulement triphasé à deux pôles, conforme à la conception des enroulements à champ tournant. Les trois enroulements statoriques sont alimentés par des tensions triphasées équilibrées et directes u1, u 2, u 3 ; les trois enroulements du rotor sont montés en étoile, et mis en court-circuit. Nous affecterons les indices « a, b, c » aux grandeurs rotoriques. Le but du présent paragraphe est d’établir les équations de fonctionnement de l’ensemble lorsque la vitesse de rotation est constante et que le régime des courants est établi depuis longtemps. Nous supposerons que le niveau de saturation est suffisamment faible pour que les flux soient proportionnels aux courants. D’autre part, nous négligerons les pertes dans le fer. Le stator est alors défini par : et qu’elle est développable en série de Fourier ; si on la réduit à son fondamental, elle s’écrit : M a1 = M 0 cos q (2) M0 étant une constante. Par symétrie, les neuf mutuelles inductances, que l’on peut définir entre les trois enroulements du stator et les trois enroulements du rotor, sont alors définies dans le tableau 1. Tableau 1 – Mutuelles inductances entre enroulements du stator et enroulements du rotor a b c 1 M0 cos q 2p M 0 cos æè q + -------öø 3 2p M 0 cos æè q Ð -------öø 3 2 2p M 0 cos æè q Ð -------öø 3 M0 cos q 2p M 0 cos æè q + -------öø 3 3 2p M 0 cos æè q + -------öø 3 2p M 0 cos æè q Ð -------öø 3 M0 cos q Nous appellerons u la tension qui apparaît entre les deux points communs du rotor (figure 5b). Dans ces conditions, la recherche des courants statoriques et rotoriques, dans les conditions fixées ci-dessus, peut se ramener à la résolution du système suivant : Ls : inductance propre de l’une des phases ; R : résistance de l’une des phases ; Ms : mutuelle inductance entre deux phases statoriques. Lr, r, Mr sont les grandeurs correspondantes pour le rotor. On posera, en outre : L = Ls Ð Ms < = Lr Ð Mr d u 1 = Ri 1 + ------ [ L s i 1 + M s ( i 2 + i 3 ) ] dt 2p 2p d + M 0 ------ i a cos q + i b cos æ q + ------- ö + i c cos æ q Ð ------- ö è è 3 ø 3 ø dt d u 2 = Ri 2 + ------ [ L s i 2 + M s ( i 1 + i 3 ) ] dt La mutuelle inductance entre les phases a et 1 est définie par l’angle q que font entre elles ces deux phases. Il est facile de voir que cette mutuelle Ma1 (q ) est telle que : M a1 ( q ) = M a1 ( Ð q ) 2p 2p d + M 0 ------ i a cos æ q Ð ------- ö + i b cos q + i c cos æ q + ------- ö è è 3 ø 3 ø dt 2p 2p d + M 0 ------ i a cos æ q + ------- ö + i b cos æ q Ð ------- ö + i c cos q è è 3 ø 3 ø dt p M a1 æè ---öø = 0 2 c 3 b ia a a enroulements du moteur 2p 2p d + M 0 ------ i 1 cos æ q + ------- ö + i 2 cos q + i 3 cos æ q Ð ------- ö è è 3 ø 3 ø dt u b représentation du rotor Figure 5 – Machine asynchrone : schéma de principe D 3 480 - 4 (6) d u = ri b + ------ [ L r i b + M r ( i a + i c ) ] dt ib ic 2 (5) d u = ri a + ------ [ L r i a + M r ( i b + i c ) ] dt d 2p 2p + M 0 ------ i 1 cos q + i 2 cos æ q Ð ------- ö + i 3 cos æ q + ------- ö è è dt 3 ø 3 ø θ (4) d u 3 = Ri 3 + ------ [ L s i 3 + M s ( i 1 + i 2 ) ] dt M a1 ( q ) = Ð M a1 ( q + p ) 1 (3) (7) d u = ri c + ------ [ L r i c + M r ( i a + i b ) ] dt 2p 2p d + M 0 ------ i 1 cos æ q Ð ------- ö + i 2 cos æ q + ------- ö + i 3 cos q è è 3 ø 3 ø dt (8) ia + ib + ic = 0 (9) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique ______________________________________________________________________________________________________________ MACHINES ASYNCHRONES ■ Nous sommes ici en présence d’un système d’équations différentielles ordinaires linéaires à coefficients périodiques dépendant du temps, valables en toutes circonstances sous réserve des hypothèses faites (linéarité des circuits magnétiques, loi de variation des mutuelles en fonction de q ). Pour le résoudre dans les conditions spécifiées plus haut (tensions statoriques triphasées équilibrées directes, vitesse constante, régime établi depuis longtemps), nous essaierons une solution telle que les courants statoriques forment un système triphasé équilibré direct, c’est-à-dire de la forme : i 1 = Iö s cos ( wt Ð j ) 2p i 2 = Iö s cos æè wt Ð j Ð -------öø 3 avec 3 M 0 gw Iö s 1 Iö r = -------------------------------- ----------------------------------------------2 [ r 2 + ( g w < )2 ]1 ¤ 2 et g w < w < tan y r = --------------- = ---------r r¤g A ce point de la démonstration, on connaît donc les courants rotoriques en fonction des courants statoriques, mais à condition de vérifier que ces derniers possèdent la propriété qu’on leur a supposée. Calculons, dans ces conditions, les flux j 1r, j 2r, j 3r créés par le rotor à travers les phases 1, 2, et 3 du stator : 2p i 3 = Iö s cos æè wt Ð j + -------öø 3 2p 2p j 1 r = M 0 i a cos q + i b cos æè q + ------- öø + i c cos æè q Ð ------- öø 3 3 Appelons alors j as, j bs et j cs les flux induits par le stator dans les phases a, b, c du rotor : ì 2p 2p j as = M 0 í i 1 cos q + i 2 cos æè q Ð ------- öø + i 3 cos æè q + ------3 3 î öü øý þ Iö r p = 3 M 0 ------- cos æ g w t Ð j Ð q 0 Ð y r + --- + q ö è ø 2 2 Compte tenu de la définition de g et q 0 [cf. relation (10)], il s’ensuit : Iö s = 3 M 0 ------- cos ( wt Ð j Ð q ) 2 Iö r p j 1 r = 3 M 0 ------- cos æè w t Ð j Ð y r + --- öø 2 2 Comme nous avons supposé la vitesse constante, il est utile, ici, d’introduire la notation q = ( 1 Ð g ) wt + q 0 (10) où g est une constante qui caractérise la vitesse, et que nous appellerons glissement, reprenant ainsi un terme défini au paragraphe 1.2, et q 0 une position à l’origine des temps. D’où, l’expression du flux : j as Iö s = 3 M 0 ------- cos ( gwt Ð j Ð q 0 ) 2 De la même façon, on a : j bs Iö r p 2p j 2 r = 3 M 0 ------- cos æè w t Ð j Ð y r + --- Ð ------- öø 2 2 3 Iö s 2p = 3 M 0 ------- cos æ g w t Ð j Ð q 0 Ð ------- ö è 3 ø 2 Iö r p 2p j 3 r = 3 M 0 ------- cos æè w t Ð j Ð y r + --- Ð ------- öø 2 3 2 Il en résulte que les flux j 1r, j 2r, j 3r forment un système triphasé équilibré et direct, ainsi que leurs dérivées. Ainsi, il existe bien un ensemble de trois courants statoriques triphasés dont les expressions satisfont toutes les équations. ■ Il nous reste à mettre les calculs ci-dessus sous des formes plus utilisables couramment. Nous allons procéder pour cela en plusieurs étapes. ● En supposant que u1 est l’origine des phases : Iö s 2p j cs = 3 M 0 ------- cos æè g w t Ð j Ð q 0 + ------- öø 3 2 u 1 = Uö cos wt Par conséquent, les trois flux (j a s, j bs , jcs ) forment un système triphasé équilibré direct si g > 0 ; il en est de même de leurs dérivées. nous avons à déterminer Iö s , j , Iö r et y r. Ces grandeurs sont liées par les relations suivantes : Si g < 0, on voit que l’ordre de succession des phases est « a,c,b » au lieu de « a,b,c » : on dit que le système est inverse. Il est facile de voir qu’un système inverse a des propriétés semblables à celles d’un système direct (cf. article Réseaux électriques linéaires. Multidipôles linéaires actifs). d cos wt = æ R + L ------ ö Iö s cos ( wt Ð j ) è dt ø Donc, si l’on additionne les équations (6), (7) et (8), en tenant compte de (9), on trouve : d p 0 = æ r + < ------ö Iö r cos æ g w t Ð j Ð y r Ð q 0 Ð ---ö è è d tø 2ø 3u=0 3 M0 d p + ------------ ------ Iö r cos æ wt Ð j Ð y r Ð ---ö è 2 dt 2ø 3M d + -----------0- ------ [Iö s ( g w t Ð j Ð q 0 ) ] 2 dt ■ On constate, alors, que les courants rotoriques forment un système triphasé à la pulsation g w : p i a = Iö r cos æè g w t Ð j Ð q 0 Ð y r Ð --- öø 2 p 2p i b = Iö r cos æè g w t Ð j Ð q 0 Ð y r Ð --- Ð ------- öø 2 3 p 2p i c = Iö r cos æè g w t Ð j Ð q 0 Ð y r Ð --- Ð ------- öø 2 3 Si, maintenant, nous convenons de représenter toute grandeur de la forme : X = Xö cos ( W t Ð x ) par : Xö X = ------- exp j ( W t Ð x ) 2 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 480 - 5 MACHINES ASYNCHRONES ______________________________________________________________________________________________________________ Enfin, si l’on note que ia, ib, ic, d’une part, et jas, jbs, jcs, d’autre part, forment des systèmes triphasés équilibrés directs, les parties variables correspondantes de g (t ) doivent nécessairement s’annuler à tout instant, ce qui montre que g (t ) est constant et égal à sa valeur moyenne G. on définira : Uö U = ------- exp ( j w t ) 2 Iö s I = ------- exp j ( w t Ð j ) 2 2.2 Schéma équivalent Iö r p i = ------- exp j æè w t Ð y r Ð --- öø 2 2 Ces grandeurs sont liées par : 3 M0 w U = ( R + j Lw ) I + j -----------------2 3 M0 g w 0 = j æ --------------------------- ö I + ( r + j< gw ) i è ø 2 i (11) Il est habituel de réduire les équations d’une phase de la machine [relations (11) et (12)] à celles du circuit de la figure 6. A cet effet, on pose : i = K I2 exp j [ ( 1 Ð g ) w t Ð q 0 ] (14) K étant un nombre réel non nul, et l’on multiplie l’équation (12) par K. ou Si l’on pose : 3 M0 w r 0 = j æ --------------------- ö I + æ --- + j < wö i è ø èg ø 2 R2 = K 2 r (12) Ces dernières expressions (11) et (12) permettent de calculer I et i , en fonction de toutes les données, puis de remonter aux courants i1, i2, i3, ia, ib, ic. Il est cependant usuel de les déterminer par un « circuit équivalent » que nous déterminerons paragraphe 2.2. ● Il est maintenant nécessaire de déterminer le couple développé par la machine. A cet effet, nous l’exprimerons sous la forme : (15) 3 M0 w X m = --------------------- K 2 x1 = w L Ð Xm x2 = K 2 < w ÐXm on voit que les équations (11) et (12) deviennent : ¶ j as ¶ j cs ¶ j bs g ( t ) = i a -------------- + i b ------------- + i c -------------¶ q ¶ q ¶ q U = ( R + j x1 ) I + j Xm ( I + I 2 ) les dérivées partielles par rapport à q étant prises pour des courants statoriques constants ; c’est-à-dire, on a, par exemple : R 0 = j X m ( I + I 2 ) + æ -----2- + j x 2ö I 2 èg ø 3 M 0 Iö s ¶ j as ------------- = --------------------- sin ( w t Ð j Ð q ) 2 ¶ q qui sont précisément les équations du circuit de la figure 6 qui est dit circuit équivalent à une phase de la machine asynchrone. La première chose que nous remarquons est que le circuit équivalent absorbe le même courant qu’une phase du moteur sous la même tension (et, naturellement, pour la même valeur de g ) ; il absorbe donc la même puissance active et la même puissance réactive. et donc : d j as ¶ j as d q ¶ j as --------------- = ------------- + ------- -------------dt ¶ q dt ¶t Par ailleurs, comme R1 est la résistance d’une phase du moteur, R1 I 2 est égal aux pertes Joule par phase du stator. prend une forme un peu particulière telle que : ¶ ¶ d ------ = [ ( 1 Ð g ) w Ð w ] ------ = Ð gw -----¶q ¶q dt En outre, les formules (14) et (15) : i = K I2 Cela permet d’évaluer la valeur moyenne de i a ( ¶ j as ¤ ¶ q ) par l’intermédiaire de la valeur moyenne de i a ( d j as ¤ d t ) : on peut évaluer cette dernière valeur en multipliant par ias la relation : d j as d 0 = æ r + < ------ö i as + -------------è d tø dt K 2 r = R2 entraînent : ri 2 = ( K I 2 ) 2 ( R 2 ¤ K 2 ) = R 2 I 22 ce qui donne : ce qui montre que l’étude du circuit équivalent permet de déterminer les pertes Joule au rotor. d j as d i as 2 > + < < i ---------Ð < i as ------------- > = < ri as as d t - > dt On notera que le produit d’une fonction sinusoïdale du temps, telle que i as, par sa dérivée a une valeur moyenne nulle. Il résulte de tout cela que la valeur moyenne de i as ( ¶ j as ¤ ¶ t ) est égale aux pertes par effet Joule dans la phase divisée par g w. Le même raisonnement vaut évidemment pour les phases b et c du rotor. R1 x1 x2 I U Xm I2 R2 g Si on appelle PJr les pertes Joule rotoriques, on obtient donc : G = D 3 480 - 6 P Jr < g ( t ) > = ---------g w (13) Figure 6 – Circuit équivalent à un moteur asynchrone Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique ______________________________________________________________________________________________________________ MACHINES ASYNCHRONES Nous pouvons maintenant faire le bilan suivant, pour un moteur bipolaire. Pour une tension par phase U, il absorbe un courant I sous un facteur de puissance cos j. La puissance totale absorbée est : contenterons d’étendre sans justification les résultats précédents, mais en leur donnant, au passage, certaines interprétations physiques. Nous admettrons également que les mêmes résultats sont applicables aux machines à cage (cages simples et encoches normales ). P a = 3 U I cos j Les pertes Joule au stator étant : P Js = 3 R 1 I 2 3.1 Fréquence de glissement (16) on appelle puissance transmise à travers l’entrefer la différence : P e = P a Ð P Js D’après la loi de conservation des puissances dans le circuit équivalent (figure 6), cette puissance peut s’exprimer également par : R2 P e = 3 ------ I 22 g (17) P Jr = 3 R 2 I 22 (18) P Jr = g P e (19) on remarque que que l’on s’exprime en disant que les pertes Joule au rotor sont égales à la puissance transmise multipliée par le glissement. Or, d’après la formule (13), le couple de la machine bipolaire est : P Jr G = --------g w (20) ce que l’on exprime en disant que, pour une machine bipolaire, le couple est égal à la puissance transmise à travers l’entrefer divisée par la vitesse de synchronisme. Quant à la puissance mécanique sur l’arbre, elle est bien entendu égale au couple G multiplié par la vitesse angulaire de l’arbre (1 – g) w ; elle est donc donnée par : (21) Par comparaison avec les formules précédentes concernant Pe et PJr, on trouve bien : P e = P m + P Jr ws = w ¤ p (nous avons fait les calculs du paragraphe 2 avec p = 1). Si le rotor tourne à une vitesse w r différente de la vitesse de synchronisme, ses enroulements embrassent, alors, un flux statorique variable dont la pulsation est : p ( w s Ð w r) La différence de vitesses w s – w r est appelée vitesse de glissement du rotor par rapport au stator, et sa valeur relative par rapport à w s est appelée glissement : ( w s Ð w r) w g = ---------------------- = 1 Ð ------r ws ws on peut donc aussi l’écrire : Pm = ( 1 Ð g ) w G . Ceux-ci créent un champ tournant à la vitesse dite de synchronisme : Si le rotor tourne à une vitesse égale à w s, chacun de ses enroulements embrasse un flux statorique constant et n’est donc le siège d’aucune force électromotrice. Comme les pertes Joule rotoriques sont égales à : P G = -----ew Supposons qu’un moteur à induction à p paires de pôles absorbe des courants triphasés équilibrés. (22) c’est-à-dire que toute la puissance qui traverse l’entrefer est transformée soit en pertes par effet Joule soit en puissance mécanique. 3. Caractéristiques de fonctionnement à tension et fréquence constantes Tous les calculs faits au paragraphe 2.2 se généralisent facilement au cas de machines à p paires de pôles au stator et au rotor. En fait, le plus difficile est de bien décrire la machine et d’en déduire que les termes en cos q doivent être remplacés par des termes en cos p q. De tels développements alourdiraient cet article, qui est plutôt destiné à faire comprendre les applications. C’est pourquoi nous nous (23) La pulsation des phénomènes rotoriques est alors g w et est appelée pulsation de glissement. De cette définition, il résulte que g est positif si w r < w s . Comme les courants rotoriques sont à la pulsation de glissement et qu’ils forment un système triphasé équilibré direct, ils engendrent un champ tournant à la vitesse g w / p par rapport au rotor ; comme celui-ci tourne à la vitesse (1 – g) w / p par rapport au stator, le champ rotorique tourne, par rapport au stator, à la vitesse : (1 Ð g) w g w w ------------------------ + ---------- = ---p p p (24) c’est-à-dire qu’il est immobile par rapport au champ statorique. 3.2 Circuit équivalent : définition et propriétés Nous admettons que, si nous négligeons les imperfections du fer (saturation, pertes par hystérésis et courants de Foucault) et si la loi de variation des mutuelles inductances peut se réduire aux premiers harmoniques, toute machine à induction possède un circuit équivalent par phase qui est représenté par la figure 7a. Pour des valeurs données de la tension d’entrée par phase U et du glissement g, le moteur absorbe une puissance : P a = 3 Re ( U I * ) I * étant la valeur conjuguée de I . Le stator dissipe par effet Joule une puissance [cf. relation (16)] : P Js = 3 R 1 I 2 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 480 - 7 MACHINES ASYNCHRONES ______________________________________________________________________________________________________________ Une partie de cette puissance, égale à 3 R 2 I 22 est dissipée en pertes Joule dans le rotor [cf. relation (18)] : Naturellement, une partie de la puissance mécanique Pm sert à vaincre les frottements créés à l’intérieur même de la machine : frottements dans les paliers, mais surtout frottements aérodynamiques créés par les inévitables ventilateurs de refroidissement qui aident à l’élimination de l’énergie thermique dans le milieu ambiant. Si Pmec représente la valeur correspondante des pertes mécaniques, la puissance utile Pu est : P Jr = 3 R 2 I 22 P u = P m Ð P mec . et transmet au rotor, à travers l’entrefer, une puissance (cf. relation (17)] : R 2 I 22 3 P e = P a Ð P Js = -------------------g elle est donc reliée à Pe par [cf. relation (19)] : Ce bilan de puissance est représenté figure 7b. P Jr = g P e Le reste de la puissance tranmise à travers l’entrefer est transformée en puissance mécanique sur l’arbre [cf. relation (22)] : P m = P e Ð P Jr d’où : Pm = ( 1 Ð g ) Pe (25) Comme la vitesse angulaire de l’arbre est, par définition de g, égale à (1 – g ) w / p (§ 3.1), le couple électromagnétique sur l’arbre est : Pm G = ---------------------------------(1 Ð g)(w ¤ p) d’où Pe G = ---------w¤p (26) formule très importante que l’on exprime en disant que le couple est égal à la puissance transmise divisée par la vitesse de synchronisme. Comme [relation (19)] : P Jr = g P e Il faut remarquer que si PJs et Pmec étaient négligeables, le rendement du moteur serait égal à 1 – g : c’est exactement le cas considéré paragraphe 1.2. 3.3 Caractéristiques approximatives de fonctionnement d’un moteur à tension et fréquence constantes Appliquons les considérations précédentes à un moteur tel que U et w soient maintenus constants. Exemple : avec les valeurs numériques de la figure 8a en ajoutant que la fréquence est 50 Hz et que p = 2, nous obtenons les courbes de variations du couple (figure 8b), du courant (figure 8c) et du facteur de puissance cos j (figure 8d). Ces allures de courbes sont tout à fait représentatives des cas usuels. Comme les formules complètes sont assez compliquées, il est difficile de se faire rapidement une idée des ordres de grandeurs. Pour y arriver, il est nécessaire de bien comprendre les approximations numériques admissibles et leurs limites. Cela est vrai, bien entendu, dans la plupart des situations pratiques où se trouvent les physiciens et les ingénieurs. et comme la vitesse de glissement est, par définition, g fois la vitesse de synchronisme [relation (23)], le couple est aussi le quotient des pertes Joule au rotor par la vitesse de glissement. P Jr G = ----------------g w¤p jω,2 I I2 jω,m U 0,125 U = 127 V jω,1 R1 (27) 1j I Γ (Nm) 2j I2 0,35 g 30 j 20 0 a valeurs numériques particulières (en ohms) pour l'établissement des courbes : p = 2 ; f = 50 Hz R2 g ωs ωr b variation du couple en fonction de la vitesse cos ϕ a circuit équivalent général I (A) 0,5 Pa Stator Pe Rotor Pm Pu 20 0 PJ s PJr Pmec b bilan des puissances Figure 7 – Moteur à tension et fréquence constantes : circuit équivalent et bilan de puissances D 3 480 - 8 ωs c variation du courant en fonction de la vitesse ωr 0 ωs ωr d variation du facteur de puissance en fonction de la vitesse Figure 8 – Moteur à tension et fréquence constantes : caractéristiques de fonctionnement pour un exemple numérique Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique ______________________________________________________________________________________________________________ MACHINES ASYNCHRONES U N O' ■ Supposons que nous entraînions la machine à une vitesse supérieure à w s (c’est-à-dire g < 0). Le champ tournant statorique tendra alors à ramener la vitesse de l’arbre au synchronisme ; un fonctionnement à glissement négatif suppose, par conséquent, que la machine reçoive de l’énergie sur son axe ; conformément à nos notations, la puissance mécanique Pm et le couple G sont donc tous deux négatifs. Cependant, si l’on calcule la puissance absorbée Pa, on la trouve généralement négative, car la puissance à travers l’entrefer O ϕ 1 2 R R1 + g2 I j (ω,1 + ω,2) I P e = 3 R 2 I 22 g M m est négative. Il en résulte que la machine fonctionne en génératrice. ■ Nous constatons ainsi que si une machine à induction alimentée à fréquence constante tourne à la vitesse de synchronisme, elle fonctionne à vide, c’est-à-dire qu’elle ne transforme aucune énergie (aux pertes près). Figure 9 – Moteur à tension et fréquence constantes : diagramme pour l’étude approximative Dans le cas considéré, nous notons que généralement : R1 Çw Si, à partir de cet état, on exerce un couple résistant sur l’arbre, elle ralentit, ce qui lui permet d’absorber une énergie électrique qu’elle transforme (au rendement près, qui est au plus égal à 1 – g) en énergie mécanique. <1 + w <2 w <1 + w <2 Ç w Lm et le plus souvent w < 1 + w < 2 est de l’ordre de 7 à 15 % de w L m . On peut donc envisager de négliger le courant dans la réactance w Lm (figure 7a), ce qui permet de déterminer I par le diagramme de la figure 9 ; on note alors que la puissance absorbée par le moteur, lorsque g varie de 0 à l’infini, est représentée par la longueur MN : en effet, j est le retard de I sur U , et on a : U sin j I = --------------------------------w <1 + w <2 On dit donc que la machine à induction est réversible puisqu’elle peut travailler en moteur ou en génératrice. ■ Supposons, maintenant, que le rotor tourne en sens inverse du sens du champ tournant ; alors : w r < 0 et g > 1 Bien entendu le champ statorique tend à amener le rotor à tourner dans son propre sens. Ainsi, avec nos notations, Pm doit être négative car G et w r sont de signes opposés : la machine reçoit de la puissance mécanique sur son arbre. donc la puissance absorbée P a = 3 U I cos j est ici proportionnelle à MN puisque : MN = U sin j cos j Il en résulte que, au point m, la puissance absorbée est maximale, et il en est pratiquement de même de la puissance Pe ; or le glissement correspondant à m et à peu près : R2 g m = -------------------------------w <1 + w <2 Si au contraire, à partir du même état, on exerce sur l’arbre un couple moteur, elle accélère, ce qui lui permet de développer un couple résistant et d’absorber une énergie mécanique qu’elle restitue au réseau électrique (au rendement près). (28) Répétons que toute approximation doit être utilisée prudemment, et adaptée si nécessaire. 3.4 Fonctionnements en génératrice et en frein. Réversibilité Revenons à la définition du glissement [relation (23)] : w g = 1 Ð -------rws ■ Si 0 < w r < w s , on a alors : 1>g>0 c’est-à-dire que la vitesse de la machine est comprise entre 0 (arrêt) et la vitesse de synchronisme. Les lois fondamentales de la physique indiquent que, dans ce cas, le champ du stator tend à accélérer le rotor pour l’amener au synchronisme : la machine fonctionne en moteur comme nous l’avons vu au paragraphe 3.3. Simultanément, Pe est positive, puisque g est positif. Le rotor reçoit donc à la fois de l’énergie électrique du stator et de l’énergie mécanique de l’arbre ; le tout doit être dissipé en pertes par effet Joule. On dit que la machine fonctionne en frein. 3.5 Puissance réactive absorbée par une machine à induction Appliquons le théorème de Boucherot (cf. article Réseaux électriques linéaires) au circuit équivalent à la machine asynchrone (figure 6). La puissance active absorbée est : R 2 I 22 R 1 I 2 + ------------- ; g elle peut être positive ou négative suivant la valeur de g. La puissance réactive absorbée est égale à : x 1 I 2 + x 2 I 22 + X m ( I + I 2 ) 2 et elle est toujours positive. Cette remarque est d’importance capitale dans le choix des onduleurs destinés à l’alimentation à fréquence variable. Elle montre qu’une machine asynchrone ne peut être associée à un pont de Graetz à commutation naturelle ; en effet, un tel pont consomme toujours de l’énergie réactive et devrait être complété par une batterie de condensateurs. On doit donc utiliser un pont entièrement réversible. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 480 - 9 MACHINES ASYNCHRONES ______________________________________________________________________________________________________________ 3.6 Diagrammes circulaires d’impédance et d’admittance Durant plusieurs décennies, le manque de moyens de calcul a rendu très pénibles les calculs relatifs à la puissance et au couple tels que nous les avons présentés paragraphe 3.2. Cependant, il se trouve que des méthodes graphiques relativement simples à appliquer peuvent être développées. Nous allons donc les examiner. Leur intérêt, dans le cadre présent, est de bien faire comprendre l’allure générale des caractéristiques de fonctionnement. Réactances (ou imaginaires) M0 Mg β M'g 2 Xm Xm + x1 Xm + x2 α L’impédance d’entrée d’une machine à induction (ou de son circuit équivalent) fonctionnant à fréquence constante : j Xm ( ( R2 ¤ g ) + j x2 ) Z = R 1 + j x 1 + ----------------------------------------------------( R2 ¤ g ) + j ( Xm + x2 ) M1 M∞ x' peut être considérée comme une fonction homographique complexe d’une variable réelle : g, 1 / g ou R2 / g. 0 R 1 Résistances (ou réels) Il en est de même du courant absorbé I (g) = U ¤ Z x ' = x1 + si U et la fréquence sont constants. Par conséquent, en vertu des propriétés décrites dans l’annexe 1 (§ 6.1), les points Mg, image de Z ( g ) , et Pg, image de I ( g ) , décrivent des cercles. Chacun de ces deux lieux peut être muni d’une ou plusieurs échelles linéaires en g ou en 1 / g. En outre, ces lieux sont étroitement liés puisque Pg est le symétrique (par rapport à l’axe des réels) de l’inverse Mg dans une inversion géométrique dont le centre est l’origine (et dont la puissance dépend à la fois de U et des échelles utilisées pour les impédances et les courants). tan β = Xm x2 Xm + x2 R2 g (Xm + x2) = 1 tan α Il faut noter que les points M'g situés à gauche de M0 M∞ correspondent à des valeurs négatives du glissement. Figure 10 – Diagramme d’impédance d’un moteur asynchrone ■ Le cercle des impédances est très simple à tracer. En effet, l’affixe de M0 est : Z ( 0 ) = R1 + j ( x1 + Xm ) Réels U ; Ia PG = 0,117 d’où on déduit que : 2 Xm Z ( g ) Ð Z ( 0 ) = -------------------------------------------------------( R2 ¤ g ) + j ( Xm + x2 ) et, en posant Pg 0,05 ϕg Ãg'' Ãg' Imaginaires R2 tan b = ------------------------------g ( Xm + x2 ) Droite de la puissance mécanique Pm 0,5 1 P∞ les Ãg 0 P0 Génératrice on voit que 2 Ðj Xm Z ( g ) Ð Z ( 0 ) = --------------------- exp ( j b ) cos b . Xm + x2 Frein Droite des coup Ir --0,5 10 A --0,05 --0,12 Comme Xm x2 Z ( ¥ ) = R 1 + j æè x 1 + --------------------- öø Xm + x2 il en résulte que Mg décrit un cercle de diamètre M0 M¥ , parallèle à l’axe des réactances, comme indiqué sur la figure 10. ■ En ce qui concerne le diagramme dit d’admittance, lieu de Pg, le plus simple est de le déterminer par P0, P¥ et un troisième point PG. Pour ce troisième point, il est intéressant, comme on va le voir plus loin, de choisir la valeur particulière [relation (28)] : gm = R2 ¤ ( x1 + x2 ) Un tel diagramme est tracé figure 11, où l’on a représenté verticalement l’axe des réels comme cela est traditionnel dans la littérature spécialisée. D 3 480 - 10 Les valeurs correspondent à l'exemple de la figure 8. Les valeurs le long de la circonférence sont les valeurs du paramètre adimensionnel g. Figure 11 – Diagramme d’admittance d’un moteur asynchrone Par définition, si U est l’origine des phases, 0 Pg représente I g en module et en phase. Comme la puissance active Pa absorbée par le moteur est égale à 3 U Ig cos jg, elle est proportionnelle à v g P g ; elle est négative lorsque Pg passe sous l’axe des imaginaires : c’est le fonctionnement en génératrice. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique ______________________________________________________________________________________________________________ MACHINES ASYNCHRONES Pour une raison analogue, 0 v g représente, à une certaine échelle, la puissance réactive absorbée ; celle-ci est toujours de même signe, puisque le cercle d’admittance est situé tout entier à droite de l’axe des réels ; nous avions déjà fait cette remarque au paragraphe 3.5. Frein 50 1 500 2 250 N (tr/min) 1 324 --50 g% 150 Il reste à déterminer le coefficient de proportionnalité entre v¢g P g et Pe : nous admettrons que ce coefficient est extrêmement proche de celui qui lie v g P g à Pa. On peut également démontrer que v g² P g représente la puissance mécanique Pm sur l’arbre, le coefficient de proportionnalité étant très peu différent des précédents. 100 50 11,7 0 12 --50 Les valeurs correspondent, comme pour la figure 11, à l'exemple de la figure 8. En tireté : même courbe pour une valeur trois fois plus grande de R2 (cf § 4.2) Figure 12 – Courbe couple-vitesse d’une machine asynchrone R1 I I g = U ¤ Z (g ) 0 --375 Nous pouvons noter que pour g = 0 et g = ¥ la puissance transmise est nulle : donc P0 et P¥ appartiennent à cette droite. Le cercle d’impédance ne dépend pas de R2, puisqu’il est défini par x ‘, Xm + x1 et R1 ; mais la position du point Mg en dépend, puisque tan b est proportionnel à R2 / g. Par ailleurs : Générateur Γ (Nm) La puissance transmise à travers l’entrefer est égale à la puissance absorbée (proportionnelle à v g P g moins les pertes Joule au rotor (proportionnelles à I g2 , c’est-à-dire (0 Pg)2 ; comme Pg est lié à un cercle, nous sommes dans les conditions de l’annexe 2 (§ 6.2). La puissance Pe, et par conséquent le couple G, est proportionnelle à la distance Pg à une droite dite droite des puissances transmises ou droite des couples, qu’il nous faut maintenant déterminer. ■ Il en résulte, en particulier, que la courbe du couple en fonction de la vitesse N varie comme indiqué sur la figure 12. On notera que les extremums de cette courbe correspondent aux points du diagramme d’admittance les plus éloignés de P0 P¥ ; c’est pourquoi nous avons recommandé de tracer le diagramme d’admittance, en partant du schéma équivalent, en le définissant par les trois points qui correspondent à g = 0, gm et g = ¥. Moteur U x '2 R1 I 2' I R2' g Xm ' x '1' Xm '' U a I 2'' R2'' g b Figure 13 – Machine asynchrone : circuits équivalents particuliers donc le cercle d’admittance est indépendant de R2, mais sa graduation en dépend. 3.7 Principaux schémas équivalents utilisés en pratique 3.8 Moteurs à résistance statorique négligeable On dit que R1 est négligeable lorsque : Pour aboutir à la définition du circuit équivalent, nous avons manipulé les équations (11) et (12), en introduisant une constante réelle arbitraire non nulle K. ■ Si on choisit pour K la valeur particulière : w L K ¢ = --------------------------3 M0 w ¤ 2 R I 3 M0 w ¤ 2 K ² = --------------------------w L on obtient le circuit de la figure 13b. ■ Si K appartient à l’intervalle [K ’’, K ’], x1, x2, Xm sont tous trois positifs ou nuls ; sinon, on arrive à des circuits qui comportent au moins une inductance négative. De tels circuits sont tout à fait utilisables, mais sont choquants pour des ingénieurs. U Dans ce cas, le calcul du couple peut se faire très simplement par utilisation du circuit équivalent de la figure 13a. En effet, d’après les relations (27) et (18), on a : 3 R 2¢ G = ----------- -------- I 2¢ 2 w¤p g on obtient le circuit équivalent de la figure 13a. ■ En choisissant pour K la valeur : Ç U mais I 2¢ » --------------------------------------- . ( R 2¢ ¤ g ) + j x 2¢ On a donc : R 2¢ U 2 3 G » ----------- ---------------------------------------------2 w ¤ p ( R 2¢ ¤ g ) + g x 2¢ 2 qui est extremum pour g = ± g M = ± ( R 2¢ ¤ x 2¢ ) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 480 - 11 MACHINES ASYNCHRONES ______________________________________________________________________________________________________________ ■ Pour réduire le courant, on pourrait diminuer la tension d’alimentation en prévoyant un autotransformateur ou un transformateur à plusieurs rapports. Ces procédés sont onéreux. Si l’on pose 3 U2 G M = --- --------------------------2 ( w ¤ p ) x 2¢ ■ On préfère à ces procédés le dispositif dit de démarrage étoile-triangle. Considérons donc (figure 14b) un moteur dont les phases du stator sont couplées successivement en étoile puis en triangle, la tension entre phases U étant la même dans les deux cas. on obtient alors : 2 GM G » ----------------------g gM -------- + ------gM g En ce qui concerne le diagramme du cercle, on remarquera que les points P0 et P¥, ainsi que le centre, sont situés sur l’axe des puissances réactives. En outre, les trois coefficients de proportionnalité, définis paragraphe 3.7 sur le diagramme d’admittance, sont égaux. 4. Démarrage et contrôle de la vitesse à fréquence et tension constantes La tension appliquée à chaque phase dans le premier cas est U ¤ 3 ; dans l’autre elle est U. A glissement égal, chaque phase sera parcourue par un courant I ¤ 3 fois moins élevé lors du couplage en étoile que lors du couplage en triangle. On conçoit donc le stator comme devant fonctionner en triangle, mais on démarre en couplant ses enroulements en étoile. Lorsque le moteur a atteint la vitesse convenable, on revient au couplage en triangle. La figure 14c montre une réalisation de ce dispositif. Lorsque les contacts A, B et C sont placés à gauche, le couplage est en étoile ; lorsqu’ils sont à droite, il est en triangle. Le couple, remarquons-le, proportionnel au carré du courant, est trois fois plus petit dans un cas que dans l’autre (figure 14d). Le lecteur pourra également se reporter à l’article Moteurs asynchrones. Choix et problèmes connexes. ■ On utilise également un autre procédé pour réduire ce courant de démarrage, en insérant un rhéostat en série avec les enroulements du stator. Lorsque le démarrage est réalisé, les bornes de ce rhéostat sont mises en court-circuit (figure 15). 4.1 Démarrage sous tension réduite La figure 14a donne le diagramme d’admittance habituel d’un moteur du type industriel : le centre C et très voisin de l’axe des puissances réactives, les points P1 et P¥ sont très proches à la fois l’un de l’autre et de cet axe. Le point Pn, correspondant au glissement nominal gn , est situé dans la partie gauche du cercle de telle sorte que O Pn (courant nominal) est très inférieur à O P1 (courant de démarrage). Si on applique, à un moteur à l’arrêt, la tension U, le courant absorbé dans les premiers instants du démarrage est très supérieur au courant de marche normale. (Le rapport de ces courants est typiquement de 3 pour un moteur de 10 kW et de 5 pour un moteur de 200 kW). Il peut en résulter un échauffement excessif du stator et éventuellement du transformateur d’alimentation. 4.2 Démarrage par rhéostat rotorique des moteurs à rotor bobiné Remarquons que, sur les schémas équivalents à un moteur, R2 et g n’interviennent que par leur rapport R2 / g et que les cercles d’impédance et d’admittance ne dépendent pas de R2 (cf. remarque à la fin du § 3.6). C’est la position du point correspondant à g = 1 qui dépend de R2 c’est-à-dire la graduation de l’échelle des glissements. L’échelle des puissances transmises, c’est-à-dire l’échelle des couples, ne dépend pas non plus de R2. U/ 3 U Pn C P0 P∞ P1 U U 0 a définition du problème Γ N A b tension par enroulement suivant le couplage B C Triangle Étoile Ns c réalisation d'un commutateur étoile-triangle D 3 480 - 12 N d courbes couple-vitesse suivant le couplage Figure 14 – Moteur asynchrone : démarrage étoile-triangle Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique ______________________________________________________________________________________________________________ MACHINES ASYNCHRONES a et b moteur à double cage Figure 15 – Moteur asynchrone : démarrage par rhéostat statorique Supposons que nous ayons étudié toutes les caractéristiques d’un moteur à rotor bobiné dont la résistance secondaire est caractérisée par R2 ; utilisons les bagues représentées sur la figure 3a pour mettre en série, avec les enroulements rotoriques, un rhéostat extérieur d’inductance propre négligeable (figure 3b). Les caractéristiques de la machine sont inchangées, à l’exception de R2 remplacée par K R2, K étant une constante qui ne dépend que du rhéostat. Puisque R2 ne figure dans les équations de l’ensemble que sous la forme R2 / g , le moteur ainsi modifié absorbera avec le même facteur de puissance et le même couple le même courant pour un glissement Kg, que le moteur initial pour un glissement g. La figure 12 montre comment évolue la courbe couple-vitesse quand R2 devient 3 R2. On voit que le couple au démarrage est beaucoup plus élevé dans le deuxième cas que dans le premier. D’autre part, le moteur modifié absorbe, au démarrage, le même courant que le moteur non modifié absorbait pour un glissement de 0,33. c et d moteur à encoches profondes Figure 16 – Différentes formes d’encoche Γ Cette opération (démarrage par rhéostat rotorique) permet donc d’atteindre simultanément deux résultats : réduction du courant absorbé et augmentation du couple au démarrage. Lorsque le moteur aura atteint une vitesse suffisante, on réduira la valeur des résistances extérieures jusqu’à la rendre nulle si l’on veut. Les moteurs, pour la plupart, comportent un dispositif permettant de mettre en court-circuit les phases du rotor sans passer par les balais qu’on peut relever lorsqu’ils sont devenus inutiles. On évite ainsi l’usure des bagues et des balais lorsque les rhéostats extérieurs ne sont pas utilisés. 4.3 Moteurs à encoches profondes et moteurs à double cage Nous venons de voir (§ 4.2) que les moteurs à rotor bobiné, plus onéreux que les moteurs à cage, sont, par contre, plus faciles à démarrer. ■ Or, si l’on remplace le barreau de la cage d’écureuil déjà décrite (§ 1.3) par deux barreaux mis en parallèle, dont l’un est plus profondément enfoncé dans le fer (figure 16a), on remarque une propriété intéressante du système : — lorsque la fréquence du courant qui parcourt les barres a une faible valeur, c’est-à-dire lorsque le courant lui-même a une faible amplitude, il se divise dans les deux barres en raison inverse de leur résistance ; au contraire, lorsque la fréquence du courant est élevée, c’est-à-dire en particulier au démarrage, on peut montrer que le courant ne circule pratiquement que dans la barre la plus proche de l’entrefer. La résistance du rotor correspond donc à la section de la barre extérieure au moment du démarrage et à la somme des deux sections lorsque la période de démarrage est achevée. Tout se passe 0 Ns N Figure 17 – Forme typique de courbe couple-vitesse obtenue pour une machine asynchrone à double cage ou à encoches profondes comme si la résistance du rotor diminuait au cours du démarrage. On arrive au même effet qu’avec utilisation d’un rhéostat. La figure 16b représente la demi-coupe d’un autre type de rotor à double cage. ■ On peut aussi remplacer les deux barres par une barre unique s’enfonçant profondément dans le fer. Le moteur est dit à encoches profondes (figures 16c et 16d ). ■ La figure 17 représente une forme typique de courbe couple-vitesse pour ces types de moteurs. 4.4 Commande de la vitesse par utilisation d’un rhéostat rotorique Les caractéristiques couple-vitesse données par les figures 12 et 17 comportent une partie utile qui est sensiblement une droite parallèle à l’axe des couples, tout comme cela se produit dans les machines à courant continu du type à excitation composée ou du type à excitation indépendante. La vitesse varie donc très peu autour de la valeur Ns qui correspond au fonctionnement à vide. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 480 - 13 MACHINES ASYNCHRONES ______________________________________________________________________________________________________________ Γ IV III II Machine à induction I Machine à courant continu Γr V Redresseur a 0 Ns Machine à induction N R2 I < R2 II < R2 III < R2 IV < R2 V Figure 18 – Réglage de la vitesse par variation de la résistance rotorique d’un rotor bobiné Redresseur Onduleur Dans le cas des machines à induction, Ns est la vitesse de synchronisme correspondant à la vitesse angulaire w / p, qu’on ne peut faire varier. Ce sont donc des moteurs fonctionnant à une vitesse pratiquement constante. Cependant, en agissant sur R2, on peut incliner plus ou moins la partie utile de G (N ). La figure 18 représente les courbes G (N ) d’un moteur à rotor bobiné pour des valeurs croissantes de la résistance du rhéostat rotorique. Si Gr (N ) est la courbe donnant le couple résistant de la machine à entraîner, on voit que, en agissant sur R2, on définit le point de fonctionnement de l’ensemble. On peut donc faire varier la vitesse d’un arbre entraîné par un moteur à induction. Mais ce moyen ne donne pas entière satisfaction ; en effet, la valeur maximale du rendement étant 1 – g, toute diminution de vitesse ne peut s’obtenir qu’à l’aide d’une diminution importante du rendement. 4.5 Commande de la vitesse par soustraction d’énergie rotorique ■ Un effet identique à l’effet précédent peut être obtenu en faisant débiter le rotor dans un système de redressement à diodes (pont de Graetz) ; en effet, le courant débité côté alternatif est en phase avec la tension, ce qui rend le pont équivalent à une résistance (du moins « vu » du côté alternatif). L’énergie soustraite du rotor et transformée en courant continu peut être utilisée pour alimenter un moteur à courant continu dont l’arbre est solidaire de celui de la machine à induction (figure 19a) ; cette solution semble être progressivement abandonnée. ■ Une autre solution consiste à utiliser un onduleur qui réinjecte dans le réseau d’alimentation l’énergie soustraite au rotor (figure 19b). Ces méthodes ont été mises en œuvre il y a une soixantaine d’années, alors qu’on ne disposait pas encore des éléments semi-conducteurs modernes ; à leur place, on utilisait des machines que l’on appelait commutatrices, changeurs de fréquence, moteurs triphasés à collecteur. Les plus répandus de ces systèmes portaient les noms de groupes Kramer et groupes Scherbius, noms que l’on donne encore souvent aujourd’hui aux ensembles de la figure 19. D 3 480 - 14 b Figure 19 – Groupes Kramer et Scherbius On peut envisager de changer le signe de la puissance transférée du rotor au réseau à courant continu. Le glissement de la machine devient alors négatif, c’est-à-dire que l’on atteint des vitesses supérieures à celle du synchronisme. La mise en œuvre de ce principe est cependant difficile. 5. Réglage de la vitesse par variation de fréquence 5.1 Notions de base La vitesse de synchronisme étant proportionnelle à la pulsation w, on peut la faire varier en faisant varier celle-ci. On peut se demander comment variera alors la courbe couple-vitesse ; mais cette question n’a pas de sens si on ne spécifie pas la tension. Comme l’équation d’une phase du stator est : u = r i+d j¤d t u»d j¤d t. Il en résulte que si um et jm sont les amplitudes de u (t ) et j (t ) : um = w jm ce qui montre qu’il faut faire varier la tension proportionnelle à la fréquence (ou à peu près), si l’on veut maintenir constant le niveau de saturation de la machine. L’examen de la figure 20 montre alors que, si la résistance R1 est négligeable, les courants sont indépendants de la fréquence pour une vitesse de glissement g w donnée. Cependant, la source de fréquence variable est généralement limitée en tension (figure 21a). Cela signifie qu’à partir d’une fréquence f m, le flux varie en fonction inverse de la fréquence. La Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique ______________________________________________________________________________________________________________ MACHINES ASYNCHRONES ω,1 is 1 ω2 ω Γ R2 g ωLm U = Kω Γ ω,2 ϕs is Figure 20 – Réglage de la vitesse par variation de fréquence : schéma équivalent ϕs 2 is 0 Γ U fr Γ IV III II I 0 fm f ωm 0 ωr Figure 22 – Variations du couple et du courant en fonction de la fréquence de glissement pour deux valeurs différentes du flux statorique a courbe tension-fréquence fm est la fréquence à partir de laquelle on ne peut plus augmenter la tension b courbes couple-vitesse UI = UII > UIII > UIV On règle donc is en réglant I. Appelons W et W c la vitesse du rotor et sa valeur de consigne. Figure 21 – Réglage de la vitesse par variation de fréquence : courbes caractéristiques figure 21b montre, dans ces conditions, quelques courbes couple-vitesse à tension et flux constants, limitées à leurs parties utiles. Bien noter que w m = 2 p f m / p . D’autre part, la relation (29) et la figure 22 fixent une relation entre la fréquence rotorique et le courant continu I ; on élaborera donc une valeur de consigne I c. Si I c > I > 0, il faut augmenter la tension U aux bornes de sortie du pont P1, c’est-à-dire diminuer le retard à l’allumage y ; c’est le rôle du régulateur de tension, qui élabore la valeur de y. 5.2 Exemple de schéma de régulation de vitesse pour un ensemble à machine à induction Nous avons montré (§ 5.1) que si le flux statorique d’un moteur à induction est maintenu constant (ce qui est voisin d’un rapport U / f constant), le courant statorique absorbé et le couple ne dépendent alors que de la fréquence de glissement ; plus précisément, pour une fréquence de glissement f r déterminée, le courant est proportionnel au flux statorique j s, et le couple est proportionnel à j 2s (figure 22). Il en résulte que si l’on fixe à la fois les valeurs de f r et i s, on fixe le flux j s, c’est-à-dire le niveau de saturation des différentes parties de la machine. Cette remarque a donné lieu à de nombreux montages dont l’un est décrit par la figure 23. Le réseau triphasé alimente un circuit à courant continu par un pont de Graetz P1 ; le courant I est lissé par une inductance L et envoyé sur les différentes phases de la machine par un commutateur de courant P2. Chaque courant de phase est donc égal à I pendant un tiers de période, puis nul pendant un sixième de période, ensuite égal à – I pendant le tiers de période suivant ; son premier harmonique est donc de valeur efficace : 1 4 I s = ------- --- I sin 60° 2 p Si W < W c, on veut augmenter le couple ; si l’on suppose que j s est constant, il faut augmenter la valeur de la fréquence rotorique f r ; c’est le rôle du régulateur de couple qui élabore une valeur de consigne f rc pour f r ; on notera qu’il est nécessaire d’écrêter f rc si l’on veut rester dans les zones normales d’utilisation du moteur. L’addition de la fréquence rotorique f rc à la vitesse du rotor (à un coefficient près qui fait intervenir le nombre de pôles) fournit la fréquence de fonctionnement du pont P2, elle-même gérée par une commande d’allumage. (29) En cas de fonctionnement en récupération, f rc est négatif mais I est positif ; pour augmenter I, il faut alors augmenter y au-delà de p / 2 ; c’est pourquoi le signe de f rc doit être pris en compte par le régulateur de tension. On remarque que le flux statorique est automatiquement maintenu constant par la relation non linéaire entre f r et I. Les régulateurs de couple et de tension sont généralement de type proportionnel-intégral. Le procédé décrit dans ce paragraphe est généralement appelé « autopilotage » ou « orientation indirecte du flux ». On le qualifie de « scalaire ». Il est loin d’être le meilleur, mais il a été choisi ici parce qu’il est le plus simple à comprendre (cf. article Alimentation des machines asynchrones). Il peut être mis en œuvre au moyen d’éléments analogiques (association d’amplificateurs opérationnels associés à des éléments de circuit linéaires ou non linéaires), ou bien au moyen d’un microprocesseur (associé à des interfaces analogiques-numériques) qui assure l’évaluation numérique des grandeurs f r et I c, et gère directement l’allumage des thyristors (ou les commandes de base dans le cas des transistors à jonction, etc.). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 480 - 15 MACHINES ASYNCHRONES ______________________________________________________________________________________________________________ P1 P2 I L ~ U A I + Ωc -- + Ic frc Régulateur de couple Ω -- Régulateur de tension Commande d'allumage 0 + + Figure 23 – Commande de vitesse par régulation scalaire d’un moteur asynchrone A est un dispositif de mesure du courant 6. Annexes (d1) Échelle des x 6.1 Représentation graphique d’une fonction homographique complexe d’une variable réelle Si a, b, g , d sont des constantes complexes et x une variable réelle, on a : a x+b y = ------------------g x+d fonction homographique complexe de la variable réelle x. Nous pourrons mettre y sous la forme suivante (dite canonique) : 1 y = A + -------------------B x+C Le but du présent paragraphe est de déterminer simplement l’image P(x ) de y (x ). ■ Pour cela, l’astérisque indiquant la valeur conjuguée du symbole, déterminons d’abord l’image P1 (x ) de y 1 = B * x + C * . Nous notons que (figure 24) : P1 ( 0 ) P1 ( x ) = x × P ( 0 ) P ( 1 ) Donc P1 (x ) décrit une droite d1. ■ Nous constatons ensuite que l’image P2 (x ) de : 1 y 2 = -----*- = y Ð A y1 s’obtient simplement en prenant l’inverse de P1 (x ) avec l’origine comme pôle et l’unité comme puissance. Le lieu de P2 (x ) est donc un cercle (G1) qui est l’inverse de la droite d1. Comme il est très simple de trouver P1 (x ) sur d1, il est aussi très simple de localiser P2 (x ) sur le cercle (G1) ; on dit que d1 est une échelle linéaire en x pour la détermination de P2 (x ). D 3 480 - 16 P2 (x ) P2 (1) x 1 Imaginaires ( Γ1) P1 (x ) a'' P1 (1) a' 0 P1 (0) a 0 Réels P2 (0) Figure 24 – Détermination des lieux décrits par les points P1 et P2 ■ Enfin, notant que : y = y2 + A et que A = y ( ¥ ) , on voit que l’on obtient facilement P (x ) à partir de P2 (x ) au moyen d’une translation définie par A qui amène (G1) en (G ) et (d1) en (d) (figure 25). La droite (d) peut être graduée linéairement en x, comme (d1) ; bien entendu, toute droite (D) parallèle à (d) peut également être graduée linéairement en x et servir d’échelle des x. ■ Considérons maintenant un point O’ quelconque du cercle (G) et une parallèle quelconque (D‘) à la droite O’ P(¥) ; marquons les points m0, m1, m, qui sont les intersections avec (D’) de O’ P(0), O’ P(1), O’ P(x ) respectivement. Comparant maintenant la figure 26 ainsi obtenue avec la figure 24, nous constatons que la figure formée par les quatre points O, P1(0), P1(1), P1(x ) est géométriquement semblable à la figure formée par les quatre points O’, m0, m1, m, parce qu’on retrouve, sur ces deux figures, les mêmes angles a, a’, a’’. Ainsi, (D‘) est aussi une échelle linéaire des x permettant de situer P(x ) sur son lieu. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique ______________________________________________________________________________________________________________ MACHINES ASYNCHRONES (d) Échelle des x Imaginaires x y Γ P (x ) x ∆ Γ 1 M y P (1) x 0 x 1 Figure 27 – Détermination d’une droite des f P (°) 0 (a et b étant constants) P (0) 0 nous allons montrer que f est la distance de M à une droite des f. En effet, si M est sur un cercle, on a : 0 Réels x2 + y2 + a ¢ x + b ¢ y + g ¢ = 0 (a ’ b ’ g ’ étant constants). Figure 25 – Détermination de P(x ) donc : f = Ð a (a ¢ x + b ¢ y + g ¢ ) + b y = Ax + By + C Échelle des x Imaginaires x f (M) est donc proportionnel à la distance de M à la droite : m P (x ) m1 a'' a' 1 f = 0 = Ax + By + C O' a 6.2.2 Application à la machine asynchrone P (1) Revenons au diagramme circulaire de la figure 11. m0 Au point Pg, la puissance transmise à travers l’entrefer est égale à la puissance absorbée diminuée des pertes par effet Joule au stator : P (°) 0 P (0) Γ P e = P a Ð P jst ∆' 2 = K 1 I a + K 2 OP g 0 Réels Figure 26 – Détermination d’une autre échelle linéaire des x ■ En conclusion, l’étude graphique de y ( x ) est très simple. On détermine d’abord les points P(0), P(¥) et P(1) d’affixes respectives b ¤ d, ( a ¤ g ) et ( a + b ) ¤ ( g + d ) , ce qui détermine le cercle (G) lieu de l ‘image P(x ) de y ( x ) . On choisit ensuite un pôle arbitraire O’ auquel on associe une parallèle (D‘) à O’ P(¥). On gradue ensuite cette droite linéairement en x. où Ia est l’ordonnée de Pg. Donc Pe est proportionnelle à la distance de Pg à une droite que nous devons déterminer. Or Pe = 0 pour g = 0 et g = ¥, donc la droite cherchée passe par les points P0 et P¥ (figure 28). Pe (et le couple G ) est donc proportionnel à la distance Pg à la droite P0 P¥. V Ia 6.2 Existence d’une droite des couples I 6.2.1 Théorème préliminaire Soit (O, x, y ) un repère cartésien du plan (figure 27). Pg P (°) P (0) 0 Ir Si M(x, y ) est attaché à un cercle G et si on définit une fonction du point M par la relation : f (M) = a O M 2 + b y Figure 28 – Détermination d’une droite des couples pour une machine asynchrone Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 3 480 - 17