CHAPITRE 5

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CHAPITRE 5 Entraînement à vitesse variable par
machine asynchrone
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5.1 Introduction
Comparée à la machine à courant continu, la
machine asynchrone triphasée, notamment la
machine à cage décureuil, présente beaucoup
davantages du point de vue construction, prix,
robustesse, puissance mécanique, entretien et
absence dune source auxiliaire. Malgré tous ces
avantages, elle a longtemps été destinée aux
applications à vitesse constante. Les progrès
réalisés dans la technologie des convertisseurs
statiques et en informatique industrielle
(processeurs numériques des signaux,
microcontrôleurs et circuits spécialisés) ont
rendu possible limplantation en temps réel des
algorithmes de contrôle et didentification les
plus sophistiqués et ont fait de la machine
asynchrone la plus utilisée dans les
entraînements à vitesse variable à lheure
actuelle.
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La machine asynchrone triphasée, appelée aussi
machine à induction , est une machine à courant
alternatif dont la vitesse électrique du rotor
est différente de la vitesse du champ tournant
statorique. En moteur, la vitesse électrique du
rotor est inférieure à celle du champ tournant
statorique. En générateur, la vitesse électrique
du rotor est supérieure à celle du champ tournant
statorique. Puisque la vitesse du rotor est
différente de la vitesse du champ tournant
statorique, on dit alors que le rotor glisse par
rapport au champ du stator. Lexpression du
glissement est
5.2 Étude de la machine asynchrone en régime
permanent
5.2.1 Éléments de construction
Dans une machine asynchrone triphasée, le stator
constitue linducteur et ses bobinages
sont alimentés par un système de tensions
triphasées. Le rotor constitue linduit et ses
bobinages sont en court-circuit.
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5.2.1.1 Le stator
Comme toutes les machines à courant alternatif,
le stator dune machine asynchrone triphasée
consiste en un empilage de tôles dacier et il
est constitué dun bobinage triphasé logé dans
des encoches.
5.2.1.2 Le rotor
Le rotor est constitué dune pile de tôles
formant un cylindre plein. Ces tôles comportent à
leur périphérie extérieure des encoches qui
reçoivent les conducteurs. Ces conducteurs,
qui constituent lenroulement rotorique sont en
court-circuit.
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5.2.1.2.1 Le rotor à cage décureuil
Les conducteurs sont de simples barres
conductrices moulées sur la masse du rotor.
Les deux bouts de chaque barre sont reliés à deux
anneaux conducteurs . Les conducteurs du rotor ne
sont pas accessibles.
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5.2.1.2.2 Le rotor bobiné
Le bobinage triphasé du rotor est similaire à
celui du stator. les conducteurs du rotor
sont accessibles et les trois bouts accessibles
sont court-circuités par une barre conductrice.
5.2.2 principe de fonctionnement
Le bobinage du stator est alimenté par un système
de courants triphasés donnant lieu à un champ
magnétique tournant.
Sa projection sur les axes x,y, nous donne
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Considérons la figure suivante. Léchelle
représente le rotor et laimant en
mouvement Représente le champ tournant produit
par les courants statoriques.
Laimant se déplace rapidement vers la droite à
une vitesse V. Donc son champ magnétique coupe à
tour de rôle les conducteurs de longueur L.
Chaque conducteur coupé par le flux inducteur
sera le siège dune force électromotrice induite
(EBLV). Un courant électrique I sera alors
généré et le conducteur en question sera soumis à
une force FILB. À mesure que léchelle gagne de
la vitesse, les coupures des barres conductrices
par le flux inducteur se font rares. Par
conséquent les grandeurs E, I et F diminueront.
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Si léchelle tourne à la même vitesse que
laimant, celui-ci ne coupera plus les barres. Il
n y a donc pas de variations de flux et par
conséquent, pas de FEM induite. Léchelle doit
donc impérativement tourner à une vitesse
différente de celle de laimant pour quil y ait
induction dune FEM, et donc dun courant, et
pour quil y ait production du couple.
5.2.3 Vitesse de glissement et fréquence des
courants statoriques
La vitesse du glissement est donnée par

• La fréquence des courants rotoriques est
  différente de celle des courants statoriques.
• À rotor bloqué (Nr 0 et g 1), fr fs.
• À la vitesse synchrone (Nr Ns et g 0), fr
  0
• À nimporte quelle vitesse telle que 0 lt Nr lt
  Ns, nous avons

Une machine asynchrone est donc un transformateur
de fréquence
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5.2.4 Schéma équivalent
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5.2.5 Bilan des puissances
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5.2.6 Calcul des performances
Le couple électromagnétique développé par la
machine est donné par
Il est donc indispensable de connaître en premier
le courant rotorique. La procédure pour calculer
ce courant rotorique est de remplacer dabords le
stator par son équivalent Thévenin.
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(No Transcript)
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Couple de décrochage CdecCmax
Couple (N.m)
Cdem
C
Vitesse (tr/mn)
Nr
Ns
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(No Transcript)
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5.2.7 Influence de la résistance du rotor sur la
caractéristique couple-vitesse
16
(No Transcript)
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5.3 Variation de la vitesse dune machine
asynchrone

• Pour faire varier la vitesse dune machine
  asynchrone triphasée, il faut soit

• Agir sur la vitesse synchrone (vitesse du champ
  tournant statorique).
• Agir sur le glissement.

• La variation de la vitesse synchrone peut être
  réalisée de deux façons différentes

• Agir sur le nombre de pôles de la machine.
• Agir sur la fréquence dalimentation de la
  machine.

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Considérons lExpression du couple
électromagnétique dans la région linéaire

• Laction sur le glissement (couple constant)
  peut être réalisée de deux façons différentes

• Agir sur la résistance du rotor .
• Agir sur lamplitude de la tension dalimentation
  de la machine.

Laction sur la tension dalimentation est
réalisée en utilisant un gradateur.
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5.3.1 Variation de vitesse par action sur la
vitesse synchrone
5.3.1.1 Action sur le nombre de pôles de la
machine
Trois techniques différentes peuvent être
utilisées pour varier le nombre de pôles
A) Méthode des pôles consécutifs
Cette méthode date de 1896 et elle nest
applicable que pour des machines dont
la construction nous permet dagir sur la
connexion des enroulements du stator.
La variation des pôles seffectue en changeant la
connexion des bobines et dans un ratio de 2
P 2 à P 4, à P 8, à p 16
Méthode révolue
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B) Méthode des enroulements multiples
Cette méthode est applicable pour des machines
spécialement menues de plusieurs enroulements.
Chaque enroulement a un nombre de pôles qui lui
est propre. Un seul enroulement est alimenté à
la fois.
On dispose par exemple de deux enroulements
respectivement de 4 et 6 pôles. À 60 Hz, on ne
peut réaliser que deux vitesses soient 1800 et
1200 tours par minute.
Méthode coûteuse et révolue
C) Méthode PAM (Pole Amplitude Modulation)
Cette méthode permet dobtenir des vitesses autre
que dans un ratio 21, et son principe est basé
sur laddition des signaux de fréquences
différentes.
Rappel Si nous avons deux signaux tels que
signal_1 à une fréquence f1 1 kHz, signal_2 à
une fréquence f2 100 kHz laddition des deux
signaux nous donne un signal comportant
deux fréquences f3 (f2 - f1) 99 kHz et f4
(f2 f1) 101 kHz.
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Ce principe bien connu en traitement de signal,
est appliquée à la FMM statorique, de telle sorte
à en créer deux autres respectivement à (PN) et
à (P-N) pôles.
P est le nombre initial de pôles et N un entier
quelconque
La FMM statorique résultante est la suivante
Cette FMM statorique peut être développée pour
donner
La modulation est réalisée par
Méthode révolue
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5.3.1.2 Action sur la fréquence dalimentation
Laction sur la fréquence dalimentation de la
machine (alimentée en tension ou en
courant) nécessite lutilisation dune
alimentation électronique (convertisseur
délectronique de puissance) pour obtenir une
fréquence variable. Ce convertisseur doit donc
être à sortie alternative mais son entrée peut
être continue ou alternative.
Convertisseur direct de fréquence (cycloconvertiss
eur)
Convertisseur indirect de fréquence
Comme on le verra plus loin, la variation de la
fréquence est accompagnée de la variation de la
tension dalimentation pour des fréquences
inférieures à la fréquence nominale.
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a) Alimentation en tension par un onduleur
triphasé à sortie en escalier
Lentrée de ce convertisseur est une tension
continue filtrée et variable. Ceci
permet dobtenir une tension variable à la
sortie.
La variation de fréquence est obtenue par le
circuit de contrôle des transistors.
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La tension de sortie ne dépend pas de la charge.
25
b) Alimentation en tension par un onduleur
triphasé à sortie à MLI
Lentrée de ce convertisseur est une tension
continue filtrée et fixe. Ceci permet dobtenir
une tension variable à la sortie.
La variation, en amplitude et en fréquence, de la
tension de sortie sobtient par de circuit de
contrôle des transistors.
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Principe de la MLI
Leur fréquence détermine la fréquence de sortie
Signaux de référence (Signaux triphasés)
m indice de modulation
27
Contenu harmonique réduit
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c) Alimentation en tension par un onduleur
triphasé à bande dhystérésis
La topologie de ce convertisseur est la même que
celle de londuleur à MLI. La Différence est au
niveau de la génération des signaux de contrôle.
29
Principe du contrôle par Hystérésis

délai
-
Bande dhystérésis
MAS
30
(No Transcript)
31
5.3.2 Contraintes lors de lalimentation des
machines à fréquence variable.
Selon Faraday (principe délectromagnétisme), la
variation de flux magnétique donne naissance à
une force électromotrice (tension) induite qui,
selon Lenz, soppose à la source qui lui a donné
naissance.

• Si V est maintenue constante
• Lorsque f diminue, le flux augmente risque
  de saturer la machine (non désirable).
• Lorsque f augmente, le flux diminue
  mauvaises performances en couple.

Le couple est directement lié au flux
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Les contraintes suivantes doivent donc être
respectées
Lorsque f est inférieure à la fréquence nominale
fn, le flux doit être maintenu à sa valeur
maximale, donc le couple développé est aussi
maximal.
Ce régime est appelé fonction à couple constant.
Lorsque f est supérieure à la fréquence nominale
fn, la tension dalimentation doit être maintenue
constante et égale à sa valeur nominale. Ceci
permet déviter le claquage possible de
lisolation.
33
Caractéristiques couple-vitesse à fréquence
variable
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5.3.3 Variation de vitesse par action sur la
glissement

• Comme nous lavons mentionné, la variation du
  glissement est réalisée en
• Agissant sur la résistance du rotor .
• Agissant sur lamplitude de la tension
  dalimentation de la machine.

5.3.3.1 Action sur la résistance rotorique
Pour pouvoir agir sur la résistance du rotor, il
faut que la machine soit à rotor bobiné.
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Influence de la résistance rotorique sur la
caractéristique couple-vitesse
La variation de la résistance rotorique doit être
réalisée dune façon électronique.
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5.3.3.2 Action sur lamplitude de la tension
dalimentation
Nous rappelons que le couple électromagnétique
développé est directement proportionnel à la
tension dalimentation de la machine dans la
région linéaire.
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Alimentation de la machine par un gradateur
triphasé
M. Ouhrouche
38
5.4 Schémas de contrôle de vitesse en boucle
fermée
5.4.1 alimentation à fréquence variable par un
onduleur en escalier
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5.4.2 alimentation à fréquence variable par un
onduleur MLI
MAS
Tableau


Régulateur de glissement
-

40
Exemple de réponse à des variations de consigne
41
5.4.3 Variation électronique de la résistance du
rotor
42
5.4.4 Alimentation par un gradateur triphasé.
Ce type dalimentation électronique est
applicable pour des petites machines entraînant
des charges du type ventilateur.