IEC TS 60034-17:1998

Rotating electrical machines - Part 17: Cage induction motors when fed from converters - Application guide

Machines électriques tournantes - Partie 17: Moteurs à induction à cage alimentés par convertisseurs - Guide d'application

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 29-Jun-1998
• ICS: 29.160.30 - Motors
• Technical Committee: TC 2 - Rotating machinery
• Drafting Committee: WG 12 - TC 2/WG 12
• Current Stage: DELPUB - Deleted Publication
• Start Date: 22-Mar-2002
• Completion Date: 26-Oct-2025

Relations

• Revised: IEC TS 60034-17:2002 - Rotating electrical machines - Part 17: Cage induction motors when fed from converters - Application guide
• Effective Date: 05-Sep-2023

Standards Content (Sample)

RAPPORT
CEI
TECHNIQUE
IEC
60034-17
TECHNICAL
Deuxième édition
REPORT
Second edition
1998-06
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 60 034-17:1998
Numéros des publications Numbering

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

sont numérotées à partir de 60000. with a designation in the 60000 series.

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Les versions consolidées de certaines publications de Consolidated versions of some IEC publications
la CEI incorporant les amendements sont disponibles. including amendments are available. For example,

Par exemple, les numéros d’édition 1.0, 1.1 et 1.2 edition numbers 1.0, 1.1 and 1.2 refer, respectively, to

indiquent respectivement la publication de base, la the base publication, the base publication incor-

publication de base incorporant l’amendement 1, et la porating amendment 1 and the base publication
publication de base incorporant les amendements 1 incorporating amendments 1 and 2.

et 2.
Validité de la présente publication Validity of this publication
Le contenu technique des publications de la CEI est The technical content of IEC publications is kept under
constamment revu par la CEI afin qu'il reflète l'état constant review by the IEC, thus ensuring that the
actuel de la technique. content reflects current technology.
Des renseignements relatifs à la date de re- Information relating to the date of the reconfirmation of
confirmation de la publication sont disponibles dans le the publication is available in the IEC catalogue.
Catalogue de la CEI.
Les renseignements relatifs à des questions à l’étude et Information on the subjects under consideration and
des travaux en cours entrepris par le comité technique work in progress undertaken by the technical com-
qui a établi cette publication, ainsi que la liste des mittee which has prepared this publication, as well as
publications établies, se trouvent dans les documents ci- the list of publications issued, is to be found at the
dessous: following IEC sources:
• «Site web» de la CEI* • IEC web site*
• Catalogue des publications de la CEI • Catalogue of IEC publications
Publié annuellement et mis à jour régulièrement Published yearly with regular updates
(Catalogue en ligne)* (On-line catalogue)*
Bulletin de la CEI • IEC Bulletin
Disponible à la fois au «site web» de la CEI* Available both at the IEC web site* and
et comme périodique imprimé
as a printed periodical
Terminologie, symboles graphiques Terminology, graphical and letter
et littéraux
symbols
En ce qui concerne la terminologie générale, le lecteur For general terminology, readers are referred to
se reportera à la CEI 60050: Vocabulaire Electro-
IEC 60050: International Electrotechnical Vocabulary
technique International (VEI). (IEV).
Pour les symboles graphiques, les symboles littéraux For graphical symbols, and letter symbols and signs
et les signes d'usage général approuvés par la CEI, le
approved by the IEC for general use, readers are
lecteur consultera la CEI 60027: Symboles littéraux à referred to publications IEC 60027: Letter symbols to
utiliser en électrotechnique, la CEI 60417: Symboles be used in electrical technology, IEC 60417: Graphical
graphiques utilisables sur le matériel. Index, relevé et
symbols for use on equipment. Index, survey and

compilation des feuilles individuelles, et la CEI 60617: compilation of the single sheets and IEC 60617:
Symboles graphiques pour schémas. Graphical symbols for diagrams.
* Voir adresse «site web» sur la page de titre. * See web site address on title page.

RAPPORT
CEI
TECHNIQUE – TYPE 2
IEC
60034-17
TECHNICAL
Deuxième édition
REPORT – TYPE 2
Second edition
1998-06
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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Aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni No part of this publication may be reproduced or utilized in
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PRICE CODE N
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– 2 – 60034-17 © CEI:1998
SOMMAIRE
Pages
AVANT-PROPOS . 4

INTRODUCTION . 8

Articles
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. 16
8 Bruit d’origine magnétique . 18
9 Durée de vie du système d’isolation . 18
10 Tensions d’arbre. 20
11 Vitesse maximale de sécurité en fonctionnement . 20
Figure 1 – Forme d’onde du courant de phase i avec couplage en triangle
phase
pour une alimentation par convertisseur de courant (exemple théorique). 22
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). 22
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 . 24
Figure 4 – Tension fondamentale U en fonction de la fréquence de fonctionnement
f (voir l’article 6) . 26
Figure 5 – Facteur de déclassement du couple d’un moteur à induction à cage
de conception N, IC 0141 (refroidissement par auto-circulation), avec
alimentation par convertisseur de courant, en fonction de la fréquence
de fonctionnement f (exemple) . 26
Figure 6 – Courbe limite de tension d’impulsion admissible Û (incluant la
LL
réflexion et l’amortissement de la tension) entre bornes du moteur

en fonction du temps de montée t . 28
a
Figure 7 – Définition du temps de montée de la tension aux bornes du moteur . 28

60034-17 © IEC:1998 – 3 –
CONTENTS
Page
FOREWORD . 5

INTRODUCTION . 9

Clause
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. 17
8 Magnetically excited noise. 19
9 Service life of the insulation system . 19
10 Shaft voltages. 21
11 Maximum safe operating speed . 21
Figure 1 – Waveform of phase current i in delta connection for I-converter
phase
supply (idealized example) . 23
Figure 2 – Waveform of phase voltage u in delta connection for U-converter
phase
supply with pulse frequency f = 15 × f (example). 23
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 . 25
Figure 4 – Fundamental voltage U as a function of operating frequency f (see clause 6) . 27
1 1
Figure 5 – Torque derating factor for cage induction motors of design N, IC 0141
(self-circulating cooling) for I-converter supply as a function of operating
frequency f (example) . 27
Figure 6 – Limiting curve of admissible impulse voltage Û (including voltage
LL
reflection and damping) at the motor terminals as a function of
the rise time t . 29
a
Figure 7 – Definition of the rise time t of the voltage at the motor terminals . 29
a
– 4 – 60034-17 © CEI:1998
COMMISSION ELECTROTECHNIQUE 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 gouvernementals, en liason 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 en ce qui concerne les questions techniques, représentent,
dans la mesure du possible, un accord international sur les sujets études, étant donné que les Comités
nationaux intréresses sont représentés dans chaque comité d’étude.
3) Les documents produits se présentent sous la forme de recommandations internationales. Ils sont publiés
comme normes, 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 ptésente Norme internationale 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’élaborer des Normes internationales.
Exceptionnellement, un comité d’études peut proposer la publication d’un rapport technique de
l’un des types suivants:
• type 1, lorsque, en dépit de maints efforts, l’accord requis ne peut être réalisé en faveur
de la publication d’une Norme internationale;
• type 2, lorsque le sujet en question est encore en cours de développement technique ou
lorsque, pour une raison quelconque, la possibilité d’un accord pour la publication d’une

Norme internationale peut être envisagée pour l’avenir mais pas dans l’immédiat;
• type 3, lorsqu’un comité d’études a réuni des données de nature différente de celles qui
sont normalement publiées comme Normes internationales, cela pouvant comprendre,
par exemple, des informations sur l’état de la technique.
Les rapports techniques de types 1 et 2 font l’objet d’un nouvel examen trois ans au plus tard
après leur publication afin de décider éventuellement de leur transformation en Normes
internationales. Les rapports techniques de type 3 ne doivent pas nécessairement être révisés
avant que les données qu’ils contiennent ne soient plus jugées valables ou utiles.

60034-17 © IEC:1998 – 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 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 International Standard 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
report of one of the following types:
• type 1, when the required support cannot be obtained for the publication of an International
Standard, despite repeated efforts;
• type 2, when the subject is still under technical development or where for any other reason
there is the future but not immediate possibility of an agreement on an International

Standard;
• type 3, when the technical committee has collected data of a different kind from that which
is normally published as an International Standard, for example ‘state of the art’.
Technical reports of types 1 and 2 are subject to review within three years of publication to
decide whether they can be transformed into International Standards. Technical reports of type
3 do not necessarily have to be reviewed until the data they provide are considered to be no
longer valid or useful.
– 6 – 60034-17 © CEI:1998
La CEI 60034-17, rapport technique de type 2 a été établie par le comité d’études 2 de la CEI:
Machines tournantes.
Cette seconde édition annule et remplace la première édition parue en 1992 et constitue une
révision technique.
Le texte de ce rapport technique est issu des documents suivants:

Projet de comité Rapport de vote

2/978/CDV 2/994/RVC
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l’approbation de ce rapport technique.
Le présent document est publié dans la série des rapports techniques de type 2
(conformément au paragraphe G.3.2.2 de la partie 1 des Directives ISO/CEI) comme «norme
prospective d’application provisoire» dans le domaine des machines électriques tournantes car
il est urgent d’avoir des indications sur la meilleure façon d’utiliser les normes dans ce
domaine afin de répondre à un besoin déterminé.
Ce document ne doit pas être considéré comme une «Norme internationale». Il est proposé
pour une mise en oeuvre provisoire, dans le but de recueillir des informations et d’acquérir de
l’expérience quant à son application dans la pratique. Il est de règle d’envoyer les observations
éventuelles relatives au contenu de ce document au Bureau Central de la CEI.
Il sera procédé à un nouvel examen de ce rapport technique de type 2 trois ans au plus tard
après sa publication, avec la faculté d’en prolonger la validité pendant trois autres années, de
le transformer en Norme Internationale ou de l’annuler.

60034-17 © IEC:1998 – 7 –
IEC 60034-17, which is a technical report of type 2, has been prepared by IEC technical

committee 2: Rotating machinery.

This second edition cancels and replaces the first edition published in 1992 and constitutes a

technical revision.
The text of this technical report is based on the following documents:

Committee draft Report on voting

2/978/CDV 2/994/RVC
Full information on the voting for the approval of this standard can be found in the report on
voting indicated in the above table.
This document is issued in the type 2 technical report series of publications (according to
G.3.2.2 of part 1 of the ISO/IEC Directives) as a ‘prospective standard for provisional
application’ in the field of rotating electrical machines because there is an urgent requirement
for guidance on how standards in this field should be used to meet an identified need.
This document is not to be regarded as an ‘International Standard’. It is proposed for
provisional application so that information and experience of its use in practice may be
gathered. Comments on the content of this document should be sent to the IEC Central Office.
A review of this type 2 technical report will be carried out not later than three years after its
publication with the options of extension for another three years or conversion either to an
International Standard or withdrawal.

– 8 – 60034-17 © CEI:1998
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 le présent rapport 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 les objectifs du présent rapport
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 du présent rapport 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.

60034-17 © IEC:1998 – 9 –
INTRODUCTION
The performance characteristics and operating data for drives with converter-fed cage

induction 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 report 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 objective of this technical report 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 report 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 – 60034-17 © CEI:1998
MACHINES ÉLECTRIQUES TOURNANTES –

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

Guide d’application
1 Domaine d’application
Le présent rapport 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. Il 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
courant) et les convertisseurs à tension de courant continu imposée (convertisseurs 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 du présent rapport
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 normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence
qui y est faite, constituent des dispositions valables pour le présent rapport technique. Au
moment de la publication, les éditions indiquées étaient en vigueur. Tout document normatif
est sujet à révision et les parties prenantes aux accords fondés sur le présent rapport
technique, sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les éditions les plus récentes
des documents normatif indiqués ci-après. Les membres de la CEI et de l'ISO possèdent le
registre des Normes internationales en vigueur.
CEI 60034-1:1996, Machines électriques tournantes – Partie 1: Caractéristiques assignées et
caractéristiques de fonctionnement
CEI 60034-6:1991, Machines électriques tournantes – Partie 6: Modes 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 690 V
Amendement 1 (1992)
Amendement 2 (1995)
CEI 60072, Dimensions et séries de puissance des machines électriques tournantes
3 Caractéristiques du moteur
Le courant de sortie d’un convertisseur 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 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.

60034-17 © IEC:1998 – 11 –
ROTATING ELECTRICAL MACHINES –

Part 17: Cage induction motors when fed from converters –

Application guide
1 Scope
This technical report 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 (I-converters) and converters with impressed d.c.
voltage (U-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 report, 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 normative documents contain provisions which, through reference in this text,
constitute provisions of this technical report. At the time of publication, the editions indicated
were valid. All normative documents are subject to revision, and parties to agreements based
on this technical report are encouraged to investigate the possibility of applying the most recent
editions of the normative documents indicated below. Members of IEC and ISO maintain
registers of currently valid International Standards.
IEC 60034-1:1996, 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 690 V
Amendment 1 (1992)
Amendment 2 (1995)
IEC 60072, Dimensions and output series for rotating electrical machines

3 Characteristics of the motor
The output current of an I-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 U-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 – 60034-17 © CEI:1998
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 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 de phase 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.

60034-17 © IEC:1998 – 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 an I-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 phase voltage for operation with a
synchronised pulse pattern where the harmonics are of the order n = 5; 7; 11; 13.
In the case of U-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.

– 14 – 60034-17 © CEI:1998
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:

 
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. Ces pertes peuvent être importantes dans le cas des
moteurs alimentés par convertisseurs de tension mais elles sont pratiquement négligeables
s’ils sont alimentés par convertisseurs de courant.
Un autre type de pertes fer, dites pertes par commutation, existe lors du fonctionnement avec
convertisseurs 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
tension car les courants de commutation ne circulent pas dans les enroulements du moteur.
Les pertes supplémentaires les plus importantes provoquées par les harmoniques sont celles
dans les enroulements du stator et du rotor. Pour les deux types de convertisseurs, les pertes
supplémentaires dans l’enroulement du rotor dépendent de sa conception (géométrie des
encoches). Les rotors avec des déplacements de courant prononcés sont particulièrement
sensibles à ces pertes. Dans le cas des convertisseurs de tension, en plus du déplacement de
courant, la réactance de fuite est l’élément de conception le plus important car 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 tension. A
l’opposé, en cas de convertisseur 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 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 à ce jour. 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.

60034-17 © IEC:1998 – 15 –
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:

 
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. These
losses may be important in case of motors fed from U-converters, but they are nearly negligible
when fed from I-converters.
Another kind of iron losses, the so-called commutation losses, exist for operation from
I-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 U-converters because the commutation currents do not flow through the motor
windings.
The most important additional losses caused by harmonics are those in the stator and rotor
windings. For both types of converter the latter depend on the rotor design (slot geometry).
Rotors with pronounced current displacement are especially sensitive to these losses. In
the case of U-converters, in addition to current displacement, the leakage reactance is the
most important design feature because it limits the harmonic currents which are responsible
for the losses. The additional rotor losses do not depend on the load when supplied from a
U-converter. On the other hand, with an I-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 U-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 – 60034-17 © CEI:1998
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 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 de vitesse sous la vitesse synchrone en
appliquant une loi U / f = constante, conduit à un couple maximal constant si la résistance de
1 1
l’enroulement du stator est négligeable devant la réactance du moteur. Pour compenser l’effet
de la résistance du stator du
...