IEC TS 60034-17:2002

SPÉCIFICATION CEI
TECHNIQUE IEC
TS 60034-17
TECHNICAL
Troisième édition
SPECIFICATION
Third edition
2002-03
Machines électriques tournantes –
Partie 17:
Moteurs à induction à cage
alimentés par convertisseurs –
Guide d'application
Rotating electrical machines –
Part 17:
Cage induction motors
when fed from converters –
Application guide
Numéro de référence
Reference number
CEI/IEC/TS 60034-17:2002
Numérotation des publications Publication numbering

Depuis le 1er janvier 1997, les publications de la CEI As from 1 January 1997 all IEC publications are

sont numérotées à partir de 60000. Ainsi, la CEI 34-1 issued with a designation in the 60000 series. For

devient la CEI 60034-1. example, IEC 34-1 is now referred to as IEC 60034-1.

Editions consolidées Consolidated editions

Les versions consolidées de certaines publications de la The IEC is now publishing consolidated versions of its

CEI incorporant les amendements sont disponibles. Par publications. For example, edition numbers 1.0, 1.1

exemple, les numéros d’édition 1.0, 1.1 et 1.2 indiquent and 1.2 refer, respectively, to the base publication,
respectivement la publication de base, la publication de the base publication incorporating amendment 1 and
base incorporant l’amendement 1, et la publication de the base publication incorporating amendments 1
base incorporant les amendements 1 et 2. and 2.
Informations supplémentaires Further information on IEC publications
sur les publications de la CEI
Le contenu technique des publications de la CEI est The technical content of IEC publications is kept
constamment revu par la CEI afin qu'il reflète l'état under constant review by the IEC, thus ensuring that
actuel de la technique. Des renseignements relatifs à the content reflects current technology. Information
cette publication, y compris sa validité, sont dispo- relating to this publication, including its validity, is
nibles dans le Catalogue des publications de la CEI available in the IEC Catalogue of publications
(voir ci-dessous) en plus des nouvelles éditions, (see below) in addition to new editions, amendments
amendements et corrigenda. Des informations sur les and corrigenda. Information on the subjects under
sujets à l’étude et l’avancement des travaux entrepris consideration and work in progress undertaken by the
par le comité d’études qui a élaboré cette publication, technical committee which has prepared this
ainsi que la liste des publications parues, sont publication, as well as the list of publications issued,
également disponibles par l’intermédiaire de: is also available from the following:
• Site web de la CEI (www.iec.ch) • IEC Web Site (www.iec.ch)
• Catalogue des publications de la CEI • Catalogue of IEC publications
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(http://www.iec.ch/searchpub/cur_fut.htm) vous permet (http://www.iec.ch/searchpub/cur_fut.htm) enables
de faire des recherches en utilisant de nombreux you to search by a variety of criteria including text
critères, comprenant des recherches textuelles, par searches, technical committees and date of
comité d’études ou date de publication. Des publication. On-line information is also available
informations en ligne sont également disponibles sur on recently issued publications, withdrawn and
les nouvelles publications, les publications rempla- replaced publications, as well as corrigenda.
cées ou retirées, ainsi que sur les corrigenda.
• IEC Just Published • IEC Just Published
Ce résumé des dernières publications parues This summary of recently issued publications
(http://www.iec.ch/online_news/justpub/jp_entry.htm) (http://www.iec.ch/online_news/justpub/jp_entry.htm)
est aussi disponible par courrier électronique. is also available by email. Please contact the
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.
SPÉCIFICATION CEI
TECHNIQUE IEC
TS 60034-17
TECHNICAL
Troisième édition
SPECIFICATION
Third edition
2002-03
Machines électriques tournantes –
Partie 17:
Moteurs à induction à cage
alimentés par convertisseurs –
Guide d'application
Rotating electrical machines –
Part 17:
Cage induction motors
when fed from converters –
Application guide
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Q
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International Electrotechnical Commission
Международная Электротехническая Комиссия
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– 2 – TS 60034-17 © CEI:2002
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS .4

INTRODUCTION.8

1 Domaine d’application.10

2 Références normatives .10

3 Caractéristiques du moteur .10

4 Spectre de fréquence de la tension et/ou des courants.12

5 Pertes supplémentaires .14
6 Déclassement du couple pendant le fonctionnement du convertisseur .16
7 Couples oscillatoires.18
8 Bruit d’origine magnétique .18
9 Durée de vie du système d’isolation .20
10 Courants parasites de paliers.20
11 Vitesse maximale de sécurité en fonctionnement .24
12 Correction du facteur de puissance .24
Figure 1 – Forme d’onde du courant de phase i
avec couplage en triangle pour
phase
une alimentation par convertisseur de source de courant (exemple théorique) .26
Figure 2 – Forme d’onde de la tension de phase u avec couplage en triangle
phase
pour une alimentation par convertisseur de tension avec fréquence
d’impulsion f = 15 × f (exemple) .26
p 1
Figure 3 – Influence de l’alimentation par convertisseur sur les pertes d’un moteur
à induction à cage (désignation 315 M, conception N) en fonctionnement à couple
et vitesse assignés.28
Figure 4 – Tension fondamentale U en fonction de la fréquence de fonctionnement f
1 1
(voir l’article 6) .30
Figure 5 – Facteur de déclassement du couple d’un moteur à induction à cage de
conception N, IC 0141 (refroidissement par autocirculation), avec alimentation par
convertisseur de courant, en fonction de la fréquence de fonctionnement f (exemple).30
Figure 6 – Courbe limite de tension d’impulsion admissible Û (incluant la réflexion et
LL
l’amortissement de la tension) entre bornes du moteur en fonction du temps de montée t .32
a
Figure 7 – Définition du temps de montée t de la tension aux bornes du moteur .32
a
Figure 8 – Flux en anneau y compris la tension d'arbre et le courant i circulant résultant .34
circ
Figure 9 – Modèle de circuit en mode commun et tension de palier u .34
brg
TS 60034-17 © IEC:2002 – 3 –
CONTENTS
FOREWORD.5

INTRODUCTION.9

1 Scope.11

2 Normative references.11

3 Characteristics of the motor .11
4 Frequency spectrum of voltage and/or currents .13
5 Additional losses.15
6 Torque derating during converter operation .17
7 Oscillating torques .19
8 Magnetically excited noise .19
9 Service life of the insulation system .21
10 Bearing currents .21
11 Maximum safe operating speed.25
12 Power factor correction .25
Figure 1 – Waveform of phase current i in delta connection for current source
phase
converter supply (idealized example).27
Figure 2 – Waveform of phase voltage u in delta connection for voltage source
phase
converter supply with pulse frequency f = 15 × f (example) .27
p 1
Figure 3 – Influence of converter supply on the losses of a cage induction motor
(frame size 315 M, design N) with rated values of torque and speed .29
Figure 4 – Fundamental voltage U as a function of operating frequency f (see clause 6).31
1 1
Figure 5 – Torque derating factor for cage induction motors of design N, IC 0141
(self-circulating cooling) for current source converter supply as a function of operating
frequency f (example) .31
Figure 6 – Limiting curve of admissible impulse voltage Û (including voltage reflection
LL
and damping) at the motor terminals as a function of the rise time t .33
a
Figure 7 – Definition of the rise time t of the voltage at the motor terminals.33
a
Figure 8 – Ring flux including shaft voltage and resulting circulating current i .35
circ
Figure 9 – Common mode circuit model and bearing voltage u .35
brg
– 4 – TS 60034-17 © CEI:2002
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE

__________
MACHINES ÉLECTRIQUES TOURNANTES –

Partie 17: Moteurs à induction à cage alimentés par convertisseurs –

Guide d’application
AVANT- PROPOS
1) La CEI (Commission Electrotechnique Internationale) est une organisation mondiale de normalisation composée
de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de la CEI). La CEI a pour objet de
favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les domaines de
l'électricité et de l'électronique. A cet effet, la CEI, entre autres activités, publie des Normes internationales.
Leur élaboration est confiée à des comités d'études, aux travaux desquels tout Comité national intéressé par le
sujet traité peut participer. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec la CEI, participent également aux travaux. La CEI collabore étroitement avec l'Organisation
Internationale de Normalisation (ISO), selon des conditions fixées par accord entre les deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de la CEI concernant les questions techniques représentent, dans la mesure
du possible, un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux intéressés
sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les documents produits se présentent sous la forme de recommandations internationales. Ils sont publiés
comme normes, spécifications techniques, rapports techniques ou guides et agréés comme tels par les Comités
nationaux.
4) Dans le but d'encourager l'unification internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent à appliquer de
façon transparente, dans toute la mesure possible, les normes internationales de la CEI dans leurs normes
nationales et régionales. Toute divergence entre la norme de la CEI et la norme nationale ou régionale
correspondante doit être indiquée en termes clairs dans cette dernière.
5) La CEI n’a fixé aucune procédure concernant le marquage comme indication d’approbation et sa responsabilité
n’est pas engagée quand un matériel est déclaré conforme à l’une de ses normes.
6) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente spécification technique peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. La CEI ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et de ne pas avoir signalé leur existence.
La tâche principale des comités d'études de la CEI est d'établir des Normes Internationales.
Dans des circonstances exceptionnelles, un comité d’études peut proposer la publication d’une
spécification technique lorsque
• le soutien nécessaire ne peut pas être obtenu pour la publication d’une norme
internationale, en dépit d’efforts répétés, ou
• le sujet est encore en évolution d’un point de vue technique ou, pour toute autre raison,
lorsqu’il existe une possibilité dans l’avenir mais pas dans l’immédiat pour un accord sur
une norme internationale.
Les spécifications techniques sont révisées dans les trois années qui suivent leur publication
pour décider si elles peuvent être transformées en normes internationales.
La CEI 60034-17, qui est une spécification technique, a été établie par le comité 2 de la CEI:
Machines tournantes.
Cette troisième édition annule et remplace la seconde édition parue en 1998 dont elle constitue
une révision technique.
TS 60034-17 © IEC:2002 – 5 –
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION

__________
ROTATING ELECTRICAL MACHINES –

Part 17: Cage induction motors when fed from converters –

Application guide
FOREWORD
1) The IEC (International Electrotechnical Commission) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of the IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, the IEC publishes International Standards. Their preparation is
entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested in the subject dealt with may
participate in this preparatory work. International, governmental and non-governmental organizations liaising
with the IEC also participate in this preparation. The IEC collaborates closely with the International Organization
for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by agreement between the two
organizations.
2) The formal decisions or agreements of the IEC on technical matters express, as nearly as possible, an
international consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation
from all interested National Committees.
3) The documents produced have the form of recommendations for international use and are published in the form
of standards, technical specifications, technical reports or guides and they are accepted by the National
Committees in that sense.
4) In order to promote international unification, IEC National Committees undertake to apply IEC International
Standards transparently to the maximum extent possible in their national and regional standards. Any
divergence between the IEC Standard and the corresponding national or regional standard shall be clearly
indicated in the latter.
5) The IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with one of its standards.
6) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this technical specification may be the subject
of patent rights. The IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
The main task of IEC technical committees is to prepare International Standards. In
exceptional circumstances, a technical committee may propose the publication of a technical
specification when
• the required support cannot be obtained for the publication of an International Standard,
despite repeated efforts, or
• the subject is still under technical development or where, for any other reason, there is the
future but no immediate possibility of an agreement on an International Standard.

Technical specifications are subject to review within three years of publication to decide
whether they can be transformed into International Standards.
IEC 60034-17, which is a technical specification, has been prepared by IEC technical
committee 2: Rotating machinery.
This third edition cancels and replaces the second edition published in 1998 and constitutes a
technical revision.
– 6 – TS 60034-17 © CEI:2002
Le texte de cette spécification technique est issu des documents suivants:

Projet d'enquête Rapport de vote

2/1117A/CDV 2/1157A/RVC
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant

abouti à l'approbation de cette spécification technique.

Cette publication a été rédigée selon les Directives ISO/CEI, Partie 3.

Le comité a décidé que le contenu de cette publication ne sera pas modifié avant 2005. A cette
date, la publication sera
• reconduite;
• supprimée;
• remplacée par une édition révisée, ou
• amendée.
Le contenu des corrigenda de juin 2002 et avril 2003 a été pris en considération dans cet
exemplaire.
TS 60034-17 © IEC:2002 – 7 –
The text of this technical specification is based on the following documents:

Enquiry draft Report on voting

2/1117A/CDV 2/1157A/RVC
Full information on the voting for the approval of this technical specification can be found in the
report on voting indicated in the above table.

This publication has been drafted in accordance with the ISO/IEC Directives, Part 3.

The committee has decided that the contents of this publication will remain unchanged until 2005.
At this date, the publication will be
• reconfirmed;
• withdrawn;
• replaced by a revised edition, or
• amended.
The contents of the corrigenda of June 2002 and April 2003 have been included in this copy.

– 8 – TS 60034-17 © CEI:2002
INTRODUCTION
Les caractéristiques de performance et les données de fonctionnement des entraînements par

moteurs à induction à cage alimentés par convertisseurs dépendent du système complet,

comprenant le réseau d'alimentation, le convertisseur, le moteur à induction, la transmission

mécanique et l'équipement de commande. Chacun de ces composants existe dans de

nombreuses variantes techniques. Toutes les valeurs citées dans cette spécification technique

sont donc données uniquement à titre indicatif.

Compte tenu des corrélations techniques complexes dans le système et de la variété des

conditions de fonctionnement, le domaine d’application et l’objet de la présente spécification

technique n’incluent pas la spécification des valeurs numériques ou des valeurs limites de
toutes les grandeurs importantes pour la conception de l’entraînement.
Dans la pratique courante, les entraînements sont de plus en plus fréquemment constitués de
composants produits par différents constructeurs. L’objet de la présente spécification
technique est d’expliquer et de quantifier, autant que possible, les critères de sélection des
composants et leur influence sur les caractéristiques de performance de l’entraînement.

TS 60034-17 © IEC:2002 – 9 –
INTRODUCTION
The performance characteristics and operating data for drives with converter-fed cage induc-

tion motors are influenced by the complete system, comprising supply system, converter,

induction motor, mechanical shafting and control equipment. Each of these components exists
in numerous technical types. Any values quoted in this technical specification are thus
indicative only.
In view of the complex technical interrelations within the system and the variety of operating
conditions, it is beyond the scope and object of this technical specification to specify numerical

or limiting values for all the quantities which are of importance for the design of the drive.

To an increasing extent it is practice that drives consist of components produced by different
manufacturers. The object of this technical specification is to explain and quantify, as far as
possible, the criteria for the selection of components and their influence on the performance
characteristics of the drive.
– 10 – TS 60034-17 © CEI:2002
MACHINES ÉLECTRIQUES TOURNANTES –

Partie 17: Moteurs à induction à cage alimentés par convertisseurs –

Guide d'application
1 Domaine d’application
La présente spécification technique traite du fonctionnement en régime établi des moteurs à
induction à cage, compris dans le domaine d’application de la CEI 60034-12, lorsqu’ils sont
alimentés par convertisseurs. Elle couvre le fonctionnement dans toute la plage de réglage de
vitesse, mais ne traite ni du démarrage, ni des phénomènes transitoires.
Seuls les convertisseurs de type indirect sont pris en considération. Ce type comprend les
convertisseurs à courant continu imposé dans le circuit intermédiaire (convertisseurs de source
de courant) et les convertisseurs à tension de courant continu imposée (convertisseurs de
source de tension) soit du type pleine onde, soit du type à commande par impulsions, sans
restriction sur le nombre d’impulsions, leur largeur ou leur fréquence. Pour les besoins de la
présente spécification technique, un convertisseur peut comporter tout type d’interrupteur
électronique, comme par exemple des transistors (bipolaires ou MOSFET), des IGBT, des
thyristors, des thyristors GTO, etc., avec des électroniques de commande analogiques ou
numériques.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent
document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non
datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
CEI 60034-1:1999, Machines électriques tournantes – Partie 1: Caractéristiques assignées et
caractéristiques de fonctionnement
CEI 60034-6:1991, Machines électriques tournantes – Partie 6: Méthodes de refroidissement
(Code IC)
CEI 60034-12:1980, Machines électriques tournantes – Douzième partie: Caractéristiques de
démarrage des moteurs triphasés à induction à cage à une seule vitesse pour des tensions
d’alimentation inférieures ou égales à 660 V
Amendement 1 (1992)
Amendement 2 (1995)
CEI 60072 (toutes les parties), Dimensions et séries de puissances des machines électriques
tournantes
3 Caractéristique du moteur
Le courant de sortie d’un convertisseur de source de courant traverse l’enroulement stator du
moteur pendant la période de commutation C’est pourquoi une connaissance du circuit
équivalent du moteur est nécessaire à la conception du circuit de commutation.
Dans le cas de convertisseurs de source de tension, une connaissance du circuit équivalent
du moteur n’est pas normalement nécessaire à la conception du circuit de commutation,
mais les impédances harmoniques du moteur influencent notablement les pertes causées
par les harmoniques.
TS 60034-17 © IEC:2002 – 11 –
ROTATING ELECTRICAL MACHINES –

Part 17: Cage induction motors when fed from converters –

Application guide
1 Scope
This technical specification deals with the steady-state operation of cage induction motors

within the scope of IEC 60034-12, when fed from converters. It covers the operation over the
whole speed setting range, but does not deal with starting or transient phenomena.
Only indirect type converters are dealt with. This type comprises converters with impressed
direct current in the intermediate circuit (current source converters) and converters with
impressed d.c. voltage (voltage source converters), either of the block type or the pulse
controlled type, without restriction on pulse number, pulse width or pulse frequency. For the
purpose of this technical specification, a converter may include any type of electronic switching
device, for example transistors (bipolar or MOSfet), IGBTs, thyristors, GTO-thyristors, etc. with
analog or digital control electronics.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For
dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of
the referenced document (including any amendments) applies.
IEC 60034-1:1999, Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance
IEC 60034-6:1991, Rotating electrical machines – Part 6: Methods of cooling (IC Code)
IEC 60034-12:1980, Rotating electrical machines – Part 12: Starting performance of single-
speed three-phase cage induction motors for voltages up to and including 660 V
Amendment 1 (1992)
Amendment 2 (1995)
IEC 60072 (all parts), Dimensions and output series for rotating electrical machines
3 Characteristics of the motor

The output current of a current source converter passes through the stator winding of the motor
during the commutating period. Therefore, a knowledge of the motor equivalent circuit is
important for the design of the commutating circuits.
In the case of voltage source converters, a knowledge of the motor equivalent circuit is not
normally important for the design of the commutating circuit, but the harmonic impedances of
the motor greatly influence the losses caused by harmonics.

– 12 – TS 60034-17 © CEI:2002
Les conditions ci-dessus sont importantes pour l’aptitude de l’entraînement au fonctionnement
de base. Si des détails sont exigés sur les couples additionnels (en particulier les couples

oscillatoires) et sur les pertes supplémentaires qui se produisent lors du fonctionnement du

convertisseur, dans ce cas, cela nécessitera une connaissance des paramètres du circuit

équivalent du moteur dans l’étendue du spectre harmonique.

Un circuit équivalent du moteur, valable de façon générale, ne peut être spécifié en raison des

variantes existantes de conception des moteurs à induction à cage de conception N (par

exemple utilisation de rotors à barres en cuivre à encoches profondes et de rotors à double-

cage en aluminium) et en raison de la large bande de fréquences des harmoniques les plus

importants (largeur de bande de 0 à 30 kHz). En règle générale, il n’est pas permis, pour le

calcul des couples et des pertes dues aux harmoniques, d’utiliser les grandeurs à partir du
circuit équivalent en fonctionnement en régime établi à la fréquence du réseau (par exemple
avec les inductances de fuite en fonctionnement normal). Le constructeur du moteur peut
fournir les valeurs appropriées pour le circuit équivalent uniquement si le spectre de fréquence
des courants et/ou des tensions produits par le convertisseur est connu.
4 Spectre de fréquence de la tension et/ou des courants
En ce qui concerne le déclassement nécessaire du couple et les couples oscillatoires excités
par des harmoniques, il est important de connaître le résidu harmonique relatif des tensions
et/ou des courants du moteur comparé à celui qui se produit lors d’un fonctionnement sous une
tension d’alimentation sinusoïdale.
La figure 1 montre la forme d’onde caractéristique du courant de phase d’un moteur dans le
cas d’un entraînement à convertisseur de source de courant. Les harmoniques créés sont
d’ordre n = 5; 7; 11; 13. Le résidu harmonique relatif dépend principalement des durées de
commutation qui peuvent différer dans divers entraînements.
La figure 2 montre la forme d’onde caractéristique de la tension entre bornes d’un moteur en
fonctionnement avec une séquence synchronisée d’impulsions, cette onde présentant des
harmoniques d’ordre n = 5; 7; 11; 13.
Dans le cas des convertisseurs de tension, diverses formes d’impulsions sont utilisées (et
peuvent être modifiées dans la plage de réglage de la fréquence). Il n’est donc pas possible
d’établir une quelconque règle générale sur les effets des harmoniques. Pour des règles
précises, il est nécessaire de connaître le résidu harmonique de la tension de sortie du
convertisseur et les répercussions sur le moteur doivent être étudiées.
Des séquences asynchrones d’impulsions, souvent utilisées, produisent la superposition
d’oscillations de fréquences:
fn=×f ± Δn×f
p1
où n = 0, 1, 2, 3,. et Δn = 1, 2, 3. sont respectivement des multiplicateurs de la fréquence
d’impulsion f et de la fréquence fondamentale f . Il existe aussi des principes de commande
p 1
où aucune fréquence d'impulsion définie n'est utilisée.
Pour les convertisseurs à commande par impulsions, le résidu harmonique à basses
fréquences peut être maintenu bas, tandis que les harmoniques prépondérants (qui sont
proches de la fréquence d’impulsion) apparaissent à des valeurs de fréquence relativement
hautes, sans grande conséquence en raison des inductances d’enroulement du moteur.
En 6.2.1 de la CEI 60034-1, l’immunité en interférence des moteurs à induction à cage est
exprimée au moyen d’une seule valeur numérique, appelée facteur harmonique de tension:

TS 60034-17 © IEC:2002 – 13 –
The above conditions are relevant for the basic operation capability of the drive. If details are

required of the additional torques (in particular oscillating torques) and of the additional losses,

which occur during converter operation, then a knowledge of the equivalent circuit parameters

of the motor covering the harmonic spectrum will be necessary.

Due to the existing design variants of cage induction motors with design N (e.g. copper deep-

bar rotors and aluminium double-cage rotors are used) and due to the wide frequency range of

the most important harmonics (band width from 0 up to 30 kHz), a generally valid motor
equivalent circuit cannot be specified. As a rule it is not admissible to use the quantities from

the equivalent circuit for steady-state operation at system frequency (e.g. with leakage

inductances for normal running) in order to calculate torques and losses due to harmonics.

The motor manufacturer may provide appropriate values of the equivalent circuit only if the
frequency spectrum of currents and/or voltages generated by the converter is known.
4 Frequency spectrum of voltage and/or currents
With respect to the necessary torque derating and to the oscillating torques excited by
harmonics, it is important to know the relative harmonic content of motor voltages and/or
currents compared with those during operation on a sinusoidal supply voltage.
Figure 1 shows the typical waveform of the motor phase current in the case of a current
source converter drive. The produced harmonics are of the order n = 5; 7; 11; 13. The
relative harmonic content depends mainly on the commutating time interval which may
differ in different drives.
Figure 2 shows the typical waveform of the motor line-to-line voltage for operation with a syn-
chronised pulse pattern where the harmonics are of the order n = 5; 7; 11; 13.
In the case of voltage source converters a variety of pulse patterns is in use (which may be
varied within the frequency setting range). Hence it is not possible to make global statements
on the effects of the harmonics. For definite statements the harmonic content of the converter
output voltage has to be known and its consequences on the motor shall be studied.
Asynchronous pulse patterns, as applied in many cases, produce superimposed oscillations of
the frequencies:
fn=×f ± Δn×f
p1
where n = 0, 1, 2, 3,. and Δn = 1, 2, 3. are multiplying factors of the pulse frequency f and of
p
the fundamental frequency f , respectively. There are also control schemes where no definite
pulse frequency is used.
With pulse controlled converters, the content of harmonics with low frequencies can be kept
low, while the dominant harmonics (which are near the pulse frequency) will occur at relatively
large frequency values, not having much effect due to the motor winding inductances.
In 6.2.1 of IEC 60034-1 the interference immunity of cage induction motors is expressed by
one single numerical value, called the harmonic voltage factor:

– 14 – TS 60034-17 © CEI:2002
 
u
n
HVF =  
∑
n
 
Dans cette formule, les harmoniques sont pondérés principalement en rapport avec

l’échauffement de l’enroulement. Malheureusement, ce facteur n’est pas utile dans le cas

d’alimentation par convertisseur. Les moteurs couverts par la CEI 60034-1 présentent de telles

différences de conception des parties actives que le facteur de déclassement doit être

déterminé pour chaque moteur par le constructeur du moteur.

5 Pertes supplémentaires
Les harmoniques de tension et courant d’un moteur à induction à cage alimenté par
convertisseur provoquent des pertes supplémentaires fer et Joule dans le stator et le rotor. Les
pertes fer supplémentaires dépendent des amplitudes et surtout des fréquences des
harmoniques des tensions de phase. Des pertes fer supplémentaires indépendantes de la
charge sont importantes dans des moteurs alimentés par convertisseurs de source de tension.
Des pertes fer supplémentaires indépendantes de la charge sont pratiquement négligeables
dans des moteurs alimentés par convertisseurs de source de courant.
Un autre type de pertes fer, dites pertes par commutation, existe lors du fonctionnement avec
convertisseurs de source de courant. Le rapide changement des flux de fuite lors de la période
de commutation génère des courants de Foucault dans les dents du stator et du rotor. Il n’y a
pas de pertes par commutation dans le cas d’un fonctionnement à partir de convertisseurs de
source de tension car les courants de commutation ne circulent pas dans les enroulements du
moteur.
Les pertes supplémentaires d'enroulement dans le rotor dépendent de la conception du rotor
(géométrie des encoches). Les rotors avec des déplacements de courant prononcés sont
particulièrement sensibles à ces pertes. Dans le cas des convertisseurs de source de tension,
la réactance de fuite est l’élément de conception le plus important, puisqu'elle limite les
courants harmoniques qui sont à l’origine des pertes. Les pertes supplémentaires du rotor ne
dépendent pas de la charge en cas de fonctionnement à partir d’un convertisseur de source de
tension. A l’opposé, en cas de convertisseur de source de courant, elles dépendent de la
charge.
Il n’existe pas de méthode simple pour calculer les pertes supplémentaires et aucune règle
générale ne peut être établie au sujet de leur valeur. Leur dépendance par rapport aux
différentes grandeurs physiques est très complexe. De même, il existe une grande variété à la
fois de convertisseurs (par exemple convertisseurs de source de tension et convertisseurs de
courant avec différentes fréquences et formes d’impulsion) et de moteurs (par exemple nature
de l’enroulement, inclinaison, géométrie des encoches).

Les colonnes de la figure 3 montrent, à titre d’exemple, l’allure des pertes calculées d’un
moteur spécifique (désignation 315 M, voir la CEI 60072; conception N, voir la CEI 60034-12)
alimenté par différents convertisseurs présentant différents résidus harmoniques ainsi que par
une alimentation sinusoïdale. L’exemple illustre l’importance relative des différents types de
pertes pour les systèmes de convertisseurs les plus largement utilisés actuellement. Cette
comparaison ne peut pas être étendue à d’autres moteurs à induction à cage alimentés par
convertisseurs, ni à d’autres types de convertisseurs (avec des schémas de modulation et des
fréquences d’impulsions différents). Pour faciliter la comparaison dans la figure 3, dans le cas
de fonctionnement avec convertisseur, on a pris l’hypothèse de fondamentaux des tensions et
courants égaux à ceux aux conditions assignées.

TS 60034-17 © IEC:2002 – 15 –
 
u
n
HVF =  
∑
n
 
In this equation, the harmonics are weighed mainly with respect to the temperature rise of the

winding. Unfortunately this factor offers no advantage in relation to the converter supply.

Motors within the scope of IEC 60034-1 differ to such an extent in the design of their active

parts that individual derating factors have to be determined by the motor manufacturer.

5 Additional losses
Harmonics of voltage and current in a cage induction motor supplied from a converter cause
additional iron and winding losses in the stator and the rotor. The additional iron losses depend
on the amplitudes and especially on the frequencies of the phase voltage harmonics. Additional
load-independent iron losses are important in motors fed by voltage source converters.
Additional load-independent iron losses are nearly negligible in motors fed by current source
converters.
Another kind of iron losses, the so-called commutation losses, exist for operation from current
source converters. The fast change of the leakage fluxes during the commutation interval
generates eddy currents in the teeth of stator and rotor. There are no commutation losses in
case of operation from voltage source converters because the commutation currents do not
flow through the motor windings.
The additional winding losses in the rotor depend on the rotor design (slot geometry). Rotors
with pronounced current displacement are especially sensitive to these losses. In the case of
voltage source converters, the leakage reactance is the most important design feature since it
limits the harmonic currents which are responsible for the losses. The additional losses do not
depend on the load when supplied from a voltage source converter. On the other hand, with a
current source converter they are load-dependent.
There is no simple method to calculate the additional losses, and no general statement can be
made about their value. Their dependence upon the different physical quantities is very
complex. Also there is a great variety both of converters (e.g. I- and voltage source converters
with different pulse frequencies and pulse patterns) and of motors (e.g. kind of winding,
skewing, slot geometry).
The columns in figure 3 show, as an example, the calculated loss composition of a specific
motor (frame size 315 M, see IEC 60072; design N, see IEC 60034-12) when supplied both
from different converters with different harmonic content and from a sinusoidal supply. The
example illustrates the relative importance of the different types of losses for the converter

systems most widely used today. The comparison cannot be transferred to other converter-fed
cage induction motors and other types of converters (with different modulation schemes and
pulse frequencies). To facilitate comparison in figure 3, the fundamental voltages and currents
during converter operation are assumed to be the same as under rated conditions.

– 16 – TS 60034-17 © CEI:2002
6 Déclassement du couple pendant le fonctionnement du convertisseur

Quand le moteur est alimenté par un convertisseur à fréquence assignée, le couple disponible

est généralement inférieur au couple assigné dans le cas d’une tension sinusoïdale. La

réduction dépend à la fois de l’échauffement dû aux pertes supplémentaires et du rapport entre

la tension de sortie du convertisseur à la fréquence assignée du moteur et la tension assignée

du moteur.
La courbe en trait plein de la figure 4 est relative à un convertisseur qui donne le même flux

fondamental dans le moteur qu’une alimentation sinusoïdale. Le fabricant du moteur peut

déterminer l’échauffement pour ce point de fonctionnement si le spectre harmonique du
convertisseur est connu. Cet échauffement dépend de la conception individuelle du moteur et
du mode de refroidissement (IC 01 ou IC 0141; voir la CEI 60034-6). Lorsqu’on détermine le
facteur de déclassement, la réserve thermique d’un moteur particulier est importante. En
prenant en compte tous ces éléments, le facteur de déclassement à la fréquence assignée se
situe généralement entre 0,8 et 1,0.
Fréquemment, dans la pratique, les caractéristiques assignées du convertisseur n’impliquent
pas que le flux fondamental à fréquence assignée soit égal à celui obtenu sous une
alimentation sinusoïdale. Cela conduit à une modification supplémentaire du couple dont la
valeur dépend des paramètres individuels.
Le fait d'être à l'intérieur de la plage de réglage en dessous de la vitesse synchrone à la
fréquence assignée du moteur, en appliquant une loi U /f = constante, conduit à un couple
1 1
maximal constant si la résistance de l’enroulement du stator est négligeable devant
la réactance du moteur. Pour compenser l’effet de la résistance du stator du moteur, certains
convertisseurs sont conçus pour présenter une caractéristique conforme à la ligne mixte de la
figure 4. A basse vitesse, les couples obtenus sont supérieurs à ceux obtenus en l’absence
d’une telle compensation.
Au-dessus du point de fonctionnement 1,0 p.u. de tension et fréquence de la figure 4, la
tension de sortie du convertisseur est généralement constante quand la fréquence augmente
(plage de réductio
...