Machine asynchrone triphasée 09/04/2002  André BONNET 
Liste des cours

 1- Principe 

    Considérons un ensemble de trois bobines coplanaires et dont les axes concourent en un même point O. Ces axes forment entre eux des angles de 120°.
principe

    Chaque bobine est alimentée par une tension d'un système triphasé équilibré. Étudions la résultante Br des inductions créées par les trois bobines au centre 0.

    Chaque bobine produit sur son axe une induction d'amplitude :
b1 = Bm cos wt
b2 = Bm cos(wt-2pi /3)
b3 = Bm cos(wt+2pi /3)

    Soient Bx et By les composantes de Br sur Ox et sur Oy:
|Bx| = Bmracine/2 cos(wt-2pi /3) -Bmracine/2 cos(wt+2pi /3)
|Bx| = Bmracine/2 [- ½ coswt + racine/2 sinwt + ½ coswt + racine/2 sinwt]
|Bx| = (3Bm/2) sinwt
|By| = Bm coswt - Bm/2 cos(wt-2pi /3) - Bm/2 cos(wt+2pi /3)
|By| = Bm [coswt + 1/2 coswt - racine/2 sinwt + 1/2 coswt + racine/2 sinwt]
|By| = (3Bm/2) coswt

    On en déduit que le vecteur Br est de module constant 3Bm/2 et que teta = -wt. Donc le vecteur Br tourne à w. Si l'alimentation est un système triphasé inverse, le sens de rotation du vecteur Br est inversé.

cylindre

    Un cylindre conducteur d'axe 0 orthogonal au plan 0x, 0y, guidé en rotation sur cet axe va être le siège de courant induit (loi de Lenz) qui tendent à s'opposer à l'existence d'une différence de vitesse entre le vecteur Br et ce cylindre. Un couple électromagnétique Cem en résulte.
    Le stator de la machine est constitué du bobinage triphasé qui crée Br et du circuit magnétique associé.
    Le rotor est le cylindre lié à l'arbre de sortie de la machine. Il comprend un circuit ferromagnétique et des conducteurs électriques. Il existe une version avec des conducteurs en court-circuit (machine à cage). Une autre version utilise un bobinage triphasé accessible électriquement à l'extérieur de la machine grâce à un contact glissant à base de trois bagues et de trois balais (machine à bagues ou à rotor bobiné).
    Le couple Cem est nul si l'arbre tourne à la pulsation du vecteur Br, notée omégas, car les courants au rotor sont nuls.
    La pulsation de rotation de l'induction Br est omégas. C'est la pulsation de synchronisme.
    Dans la figure de principe du stator, chaque bobine comporte deux pôles magnétiques. Mais on peut construire des bobines avec 2p pôles. 
    Dans ce cas la pulsation de synchronisme s'exprime: omégas = w/p
Si oméga
r < omégas, la machine fonctionne en moteur
Si oméga
r > omégas, la machine fonctionne en frein
Le glissement g = (oméga
s - omégar) / omégas


 2- Couple électromagnétique 

 Bilan de puissance 

bilan

 Observation 

Pjr = Ptr - Pméca = Cem.(omégas - omégar) = Cem.omégas.(omégas - omégar)/omégas = g.Ptr = Pjr



 3- Modélisation de la machine asynchrone 

 Rotor bloqué 

    Les enroulements du stator sont en regard des enroulements du rotor sur un même circuit magnétique, comme pour un transformateur. Le modèle du transformateur est donc exploitable. La machine est triphasée, mais on considère le modèle pour un seul bobinage du stator et du rotor.

modèle

    La prise en compte des paramètres R1 et lf1 n'est pas au programme des enseignements en ATS, cela simplifie les équations.

modèle

    Notons que le paramètre Lm est beaucoup plus faible que pour un transformateur de puissance comparable à cause de l'entrefer de la machine asynchrone. Il y a nécessairement un jeu entre rotor et stator de quelques 1/10 de mm pour les machines de faible puissance (1kW) à quelques mm pour plus les grandes puissances (1MW).


 Rotor tournant 

    La fréquence des variations de flux au rotor dépend du glissement fr = g.f 
Cette fréquence variable a un effet direct sur l'impédance liée à  lf2  et sur l'amplitude du générateur de tension au rotor e2 = g.m.v1

modèle

    L'utilisation du modèle est plus commode si les variables sont directement accessibles à l'extérieur de la machine (tension, courant et fréquence du stator) :

modèle

    R doit mettre en jeu 1/3 de la puissance transmise et X doit produire le même déphasage entre V1  et  i'1  que dans le modèle précédent. 
    En identifiant :
g.Ptr/3 = R2.I22 = R2.I'12 /m2 = g.R.I'12 
    Il faut: R = R2/gm2

    Pour conserver la phase entre V1 et I'1 :
g.X2/R2 = X/R = X.g.m2/R2
    Il faut: X = X2/m2

    En fonction de l'étude à mener il peut être intéressant de distinguer dans le modèle la puissance mécanique et les pertes Joule rotor. 
    Alors R = R'+R'' (R' correspond à la puissance mécanique, R'' aux pertes Joule rotor).

modèle

    Identifions les pertes Joule rotor:
3.R''I'12 = 3.R2.I22 = 3.R2.I'12/ m2
et  R'' = R2/ m2
R' = R - R'' = R2.(1-g)/g. m2 = R'


 Caractéristique électromécanique 

caractéristique

    Le courant de démarrage (à g = 1) est très fort. Pour les fortes puissances il est parfois nécessaire d'utiliser un procédé de démarrage qui réduit cet appel de courant.


 Expression du couple électromagnétique 

g.Ptr = g.Cem.omégas = 3R2.I22   où   I2 = g.m.V1 /racine(R22+g2.X22)
Cem = (3.m2.V12/omégas).(g.R2) / (R22 + g2.X22)
Cette fonction présente des extremum pour g = gm
(dCem/dg) = (3.R2.m2.V12 / omégas) . (R22 + g2.X22 - 2g2.X22 ) / (R22 + g2.X22 )2 = 0
si   g = gm   et   gm = R2/X2
Le couple maximum est: Cmax = (3.m2.V12/omégas) / (2.X2)


 Caractéristique mécanique 

caractéristiques

Le domaine d'usage permanent de la machine se situe ente Cn et Cem = 0.
Le couple maximum Cmax est de l'ordre de 2,5 à 3,5Cn.
La machine est réversible.


 4- Détermination expérimentale de paramètres du modèle 


    Cette expérimentation s'effectue lorsqu'il faut prévoir le comportement d'un transformateur et que l'essai direct est impossible.

Les essais ne doivent mettre en jeu que des faibles puissances.


 Essai à vide 

vide

On mesure sous V1 = V1n à f = fn, P1, P2, I10,V10.
A vide g ~ 0 et I'1 ~ 0. Seuls Rpf et Lm interviennent.

En supposant le couplage étoile au stator :
Rpf = 3.V102/P10
tgphi10 = racine(P1-P2)/(P1+P2)
Q10 = P10.tgphi10
Lm = 3V102 / Q10


 Essai en court circuit (on dit aussi rotor bloqué) sous tension réduite 

CC

On mesure à f = fn, P1, P2, V1cc, I1cc = I1n.
Comme V1cc est très faible devant V1n, Rpf et Lm ont un effet négligeable. 
I1 » I'1
R = (P1+P2) / 3I1cc2
tgphicc = racine(P1-P2) / (P1+P2)
X = R.tgphicc 

Voir aussi:
Démarrage et freinage
Réglage de la vitesse

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