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Chapitre
INTRODUCTION AUX MACHINES ELECTRIQUES
Machines Electriques
Prof. Mourad ZEGRARI
1
© M. ZEGRARI 2Introduction aux
Machines Électriques
Plan
Classification des machines électriques.
Principe de la conversion électromécanique.
Caractéristiques des machine électriques.
Entraînements électromécaniques.
Production du champ tournant dans les machines
électriques.
© M. ZEGRARI 3Introduction aux
Machines Électriques
Plan
Classification des machines
Conversion électromécanique
Caractéristiques des machines électriques
Entraînements électromécaniques
B
C
D
A
E Champ tournant dans les machines électriques
© M. ZEGRARI 4Introduction aux
Machines Électriques
Conversion de l’Énergie Électrique
Inductances Condensateurs
Relais Transformateurs
Rotatifs
Linéaires
Conversion Electronique
Conversion Electromagnétique
Moteurs
Générateurs
Transducteurs
Conversion Statique
Conversion Dynamique
Machines Électriques
© M. ZEGRARI 5Introduction aux
Machines Électriques
Intérêt des machines électriques
Rendement élevé.
Absence de pollution.
Souplesse et rapidité de réglage.
Réversibilité de fonctionnement.
Couple et puissance massique élevés.
Maintenance réduite.
© M. ZEGRARI 6Introduction aux
Machines Électriques
Classification des machines électriques
Aimants permanents
Rotor bobiné
Machines Synchrones
Machines Asynchrones
Machines à aimants
Machines à excitation
Machines spéciales
Machines à courant alternatif
Machines à courant continu
Machines Électriques
Électro-aimants
Rotor à cage
Rotor massif
Séparée
Parallèle
Série
Composée
© M. ZEGRARI 7Introduction aux
Machines Électriques
Classification des machines électriques
Machines à courant alternatif (ca) Machines Synchrones : utilisées comme alternateurs (production de l'énergie électrique) ou comme compensateurs de l'énergie réactive. Machines Asynchrones : de construction simple, ces moteurs sont les plus utilisés en industrie, mais leur réglage est complexe.
Machines à courant continu (cc)
Elles offrent des performances remarquables avec des réglages simples et efficaces. Cependant, leur coût élevé et leur maintenance difficile limitent leur champ d'application.
Machines spéciales
Ces machines, de construction spéciale, sont essentiellement utilisées en robotique et dans les procédés d'automatisation et de régulation.
© M. ZEGRARI 8Introduction aux
Machines Électriques
Domaines d’application
Application Type de machines utilisées
Production de l'énergie électrique
Génératrices synchrones (jusqu'à 2000 MW) Compensateurs synchrones (300 MW)
Traction électrique
Transport ferroviaire (locomotive 4 MW) Transport maritime (30 MW) Transport sur roues (engins de travaux)
Entraînements industriels
Métallurgie (laminoirs) Industrie textile, chimique, papeterie Cimenteries (broyeurs) Pompes, compresseurs, ventilateurs
Machines outilsMécatronique
Système de positionnement, robotique Périphériques des ordinateurs Horloges, photocopieurs, fax Aéronautique, Automobile
Instrumentation
Transducteurs, tachymètres Micro-actionneurs intégrés Relais, électro-aimants
© M. ZEGRARI 9Introduction aux
Machines Électriques
Plan
Classification des machines
Conversion électromécanique
Caractéristiques des machines électriques
Entraînements électromécaniques
B
C
D
A
E Champ tournant dans les machines électriques
© M. ZEGRARI 10Introduction aux
Machines Électriques
Conversion électromécanique
Ce sont des convertisseurs électromécaniques qui transforment l’énergie électrique en énergie mécanique et réciproquement.
Conversion Electrique Mécanique : Fonctionnement Moteur.
Exploitation de la force électrodynamique (Loi de Laplace).Conversion Mécanique Electrique : Fonctionnement
Génératrice.
Exploitation de la force électromotrice induite (Loi de Faraday).
MachineElectrique
Energie Electrique
Energie Mécanique
Moteur
Génératrice
© M. ZEGRARI 11Introduction aux
Machines Électriques
Conversion électromécanique
Toute conversion électromécanique nécessite les éléments suivants : Une induction magnétique, créée par l’enroulement de l’inducteur. Un courant circulant dans les enroulements de l’induit : siège des
forces électromotrices induites.
Il existe deux façons de créer une force électromotrice induite : Inducteur fixe (induction constante) : les conducteurs de
l’enroulement induit sont mobiles, cas des machines cc. Inducteur mobile (induction variable) : les conducteurs de
l’enroulement induit sont fixes, cas des machines synchrones.
© M. ZEGRARI 12Introduction aux
Machines Électriques
Constitution de base
La construction se réalise sur deux armatures cylindriques et coaxiales, contenant des enroulements inducteur et induit :
L’armature mobile est appelée rotor : elle transmet ou reçoit une puissance mécanique en présence d’un champ d’induction tournant.
L’armature fixe est appelée stator : elle assure la fermeture des lignes d’induction canalisées par l’armature d’induit.
Stator
Rotor
Entrefer
Arbre
© M. ZEGRARI 13Introduction aux
Machines Électriques
Eléments constitutifs
Organes pour fonction magnétique
Création d’un champ radial : assurée par le circuit inducteur.
Canalisation du flux : assurée par le circuit magnétique, elle comprend une partie fixe (stator) et une partie tournante (rotor).
Organes pour fonction électrique
Production de la force électromotrice assurée par les enroulements du circuit induit.
Organes pour fonction mécanique
Support de guidage de la partie tournante : paliers.
Protection des organes et des enroulements : carcasse et flasque.
Refroidissement : ventilateur.
© M. ZEGRARI 14Introduction aux
Machines Électriques
Plan
Classification des machines
Conversion électromécanique
Caractéristiques des machines électriques
Entraînements électromécaniques
B
C
D
A
E Champ tournant dans les machines électriques
© M. ZEGRARI 15Introduction aux
Machines Électriques
Caractéristique de coût
À puissance égale, on peut effecteur un classement par ordre de coût décroissant :
1. Machine CC : complexité de fabrication à cause du collecteur.
2. Machine Synchrone : système d’excitation au rotor.
3. Machine Asynchrone : le rotor à cage simple à réaliser.
Ce classement s'explique par la technique de fabrication qui détermine le coût de la production.
Comme le couple est proportionnel au volume, une machine de puissance donnée est d'autant plus petite et moins coûteuse que sa vitesse de rotation est élevée.
© M. ZEGRARI 16Introduction aux
Machines Électriques
Caractéristique de sortie
Elle représente les grandeurs de sortie qu’on désire exploiter : Mode Génératrice : grandeurs électriques. Mode Moteur : grandeurs mécaniques.
Génératrice Moteur
V : Tension aux bornes de la génératrice (V) : Vitesse de rotation du moteur (rad/s)
I : Courant alimentant la charge (A) Tm : Couple moteur sur l'arbre (N.m)
P = VI : Puissance électrique (W) P = Tm. : Puissance mécanique (W)
© M. ZEGRARI 17Introduction aux
Machines Électriques
Réversibilité
Les machines électriques sont réversibles : elles peuvent passer continûment du fonctionnement en moteur au fonctionnement en génératrice.
Le fonctionnement en moteur est obtenu si le produit (T.) est positif.
Vitesse
Couple
F
FF
F
11
22
Q1
Q4Q3
Q2
Couple(T)
Vitesse()
ProduitT.
QuadrantFonctionnementSens de rotation
Moteur
GénératriceMoteur
Génératrice
oui oui ouioui
oui
oui
1 (horaire)
2 (anti-horaire)
1
2
3
4
© M. ZEGRARI 18Introduction aux
Machines Électriques
Rendement
L’écoulement des puissances dans une machine électrique est :
Le rendement de la machine s’écrit :
Puissance fournie
(absorbée)
Puissance exploitée (utilisée)
Puissance perdue (pertes)
Machine Électrique
mécaferj pppPu
PupertesPu
PuPa
Pu
© M. ZEGRARI 19Introduction aux
Machines Électriques
Plan
Classification des machines
Conversion électromécanique
Caractéristiques des machines électriques
Entraînements électromécaniques
B
C
D
A
E Champ tournant dans les machines électriques
© M. ZEGRARI 20Introduction aux
Machines Électriques
Types d’entraînements
Génératrice Électrique
Moteur d'entraînement
Chargeélectrique
Transfert de l'Énergie
Génératrice électrique entraînée par un moteur d’entraînement
Moteur Électrique
Charge mécanique entraînée
Alimentation électrique
Transfert de l'Énergie
Charge mécanique entraînée par un moteur électrique
© M. ZEGRARI 21Introduction aux
Machines Électriques
Équation fondamentale de l’entraînement
Le moteur exerce un couple moteur Tm sur l’arbre.
La charge exerce sur le même arbre un couple résistant Tr.
L’entraînement suit la relation fondamentale :
dtdJTT rm
Moteur d'entraînement
Charge mécanique entraînée
Couple Moteur Tm
Couple Résistant Tr
Vitesse de Rotation
© M. ZEGRARI 22Introduction aux
Machines Électriques
Moteurs d’entraînement
Caractéristiques couple-vitesse des différents moteurs électriques :
Tm
n
Tmn
Tmax
(a) : Moteur Synchrone.
Tm
n
Tmn
Tmax
Tmd
(b) : Moteur Asynchrone.
Tmax
Tmn
n
(c) : Moteur CCExcitation indépendante.
n
Tmn
(d) : Moteur CCExcitation série.
TmTm
Tmax
© M. ZEGRARI 23Introduction aux
Machines Électriques
Charges entraînées
En général, l’expression du couple résistant est :Tr = K.n
Tr
(a) : Type frottement visqueux.
Tr
(b) : Type frottement sec.
Tr
(c) : Type "couple constant".
Tr
(d) : Type "puissance constante"
© M. ZEGRARI 24Introduction aux
Machines Électriques
Stabilité d’un entraînement
Un entraînement est en état d'équilibre stable si toute variation de la vitesse , autour du point d'équilibre, fait apparaître un couple permettant de ramener l'entraînement au point d'équilibre initial.
Tm
éq
Tr
A
(a) : Équilibre stable.
Tm
éq+
A'
Tm
éq
Tm
B
(b) : Équilibre instable.
Tr
éq+
B'
A" B"
© M. ZEGRARI 25Introduction aux
Machines Électriques
Coefficient de stabilité
Le coefficient de stabilité du point d’équilibre d'un entraînement est défini par la relation suivante :
Si ks > 0 : le point d'équilibre est stable.
Si ks < 0 : le point d'équilibre est instable.
Si ks = 0 : le point d'équilibre est astable.
éq
d
TTdk mrs
© M. ZEGRARI 26Introduction aux
Machines Électriques
Plan
Classification des machines
Conversion électromécanique
Caractéristiques des machines électriques
Entraînements électromécaniques
B
C
D
A
E Champ tournant dans les machines électriques
© M. ZEGRARI 27Introduction aux
Machines Électriques
Champ tournant bipolaire
La direction du champ d’induction B tourne avec une vitesse :
On produit un champ tournant bipolaire (une paire de pôles).
M
N
n0
nr
θ0
θBm
S
0m tcosBt,Mb
m m 0b M,t B cos B cos
© M. ZEGRARI 28Introduction aux
Machines Électriques
Champ tournant multipolaire
Champ à "p" paires de pôles "p" champs tournants décalés de (2/p)
La pulsation est telle que : = p (p : nombre de paires de pôles)
M
N
n0
nr
θ0
θBm
S
0m tcosBt,Mb
B1
B2
N2
N3
N1S3
B3
S1
S2
B1
B2
N1
N2
S2S1
p = 2p = 1 p = 3
0m ptcosBt,Mb
e gp
© M. ZEGRARI 29Introduction aux
Machines Électriques
N1
N2
S1
S2La représentation du champ magnétique fait apparaître :
• Deux pôles NORD
• Deux pôles SUD
La machine à deux paires de pôles est dite tétrapolaire.
B
Champ créé par un bobinage monophasé
© M. ZEGRARI 30Introduction aux
Machines Électriques
À un instant t fixé (temps arrêté)
Effectuons un déplacement le long de l’entrefer :
0
B
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 31Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 32Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 33Introduction aux
Machines Électriques
0
Effectuons un déplacement le long de l’entrefer :
B
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 34Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 35Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 36Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 37Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 38Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 39Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 40Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 41Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 42Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 43Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 44Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 45Introduction aux
Machines Électriques
0
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 46Introduction aux
Machines Électriques
0
Effectuons un déplacement le long de l’entrefer :
B
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 47Introduction aux
Machines Électriques
0
Variation sinusoïdale de B avec la position .
BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :
Champ créé dans l’entrefer
© M. ZEGRARI 48Introduction aux
Machines Électriques
Observons l’évolution du champ magnétique dans l’entrefer pendant une période de l’alimentation électrique des bobines du stator ...
0 T
N
N
S S
B
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 49Introduction aux
Machines Électriques
N
N
SS
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 50Introduction aux
Machines Électriques
N
N
S
S
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 51Introduction aux
Machines Électriques
N
N
S
S
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 52Introduction aux
Machines Électriques
N
N
S
S0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 53Introduction aux
Machines Électriques
N
NS
S0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 54Introduction aux
Machines Électriques
N
N
S
S0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 55Introduction aux
Machines Électriques
N
N
SS
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 56Introduction aux
Machines Électriques
NN
SS
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 57Introduction aux
Machines Électriques
N
N
S
S
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 58Introduction aux
Machines Électriques
N
N
S
S
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 59Introduction aux
Machines Électriques
N
N
S
S
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 60Introduction aux
Machines Électriques
N
N
S
S
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 61Introduction aux
Machines Électriques
N
N S
S
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 62Introduction aux
Machines Électriques
N
NS
S
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 63Introduction aux
Machines Électriques
N
N
S
S
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 64Introduction aux
Machines Électriques
N
N
SS
0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 65Introduction aux
Machines Électriques
N
N
SS Le champ magnétique
tourne !0 T
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 66Introduction aux
Machines Électriques
p = 2
Pendant une période T, le
champ a tourné d’ ½ tour.
La durée d’un tour entier
est égale à 2T.
N
N
SS
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 67Introduction aux
Machines Électriques
p = 2
La vitesse de rotation ns du
champ tournant est :
N
N
SS
fSS
1n
2T 2
Vitesse du champ tournant en (tr/s)
Fréquence des courants au stator (Hz)
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 68Introduction aux
Machines Électriques
p quelconque
La vitesse de rotation ns du
champ tournant est :
N
N
SS
fSSn
p
Vitesse du champ tournant en (tr/s)
Fréquence des courants au stator (Hz)
Vitesse du champ tournant
© M. ZEGRARI 69Introduction aux
Machines Électriques
Caractéristiques d’un champ tournant
Un champ tournant est caractérisé par :
Le nombre de paires de pôles : p
L’induction magnétique maximale : Bm
La vitesse de rotation angulaire :
La pulsation de ses courant induits : = p
© M. ZEGRARI 70Introduction aux
Machines Électriques
Production du champ tournant
La production des f.m.m. tournantes peut être réalisée par :
Des aimants permanents en mouvement.
Des électroaimants, constitués par des enroulements parcourus par un courant continu, et entraînés en mouvement.
Un bobinage polyphasé alimenté par un système de courants alternatifs polyphasé.
Le couple électromagnétique qui s'exerce entre le stator et le rotor est dû à l'interaction de leurs forces magnétomotrices.
© M. ZEGRARI 71Introduction aux
Machines Électriques
Procédé dynamique
On fait entraîner en rotation un aimant ou un électroaimant.
L’énergie fournie au système est mécanique.
Inducteurs à électro-aimant :
Electroaimant à pôles lisses
Aimant en fer à cheval
Aimant permanent
Electroaimant à pôles saillants
S S
N
N
Inducteur à pôles saillants
S
2
N
1
S
1
N
2
Inducteur à pôles lisses
© M. ZEGRARI 72Introduction aux
Machines Électriques
Procédé statique
Ce procédé emploi des bobines fixes réparties d’une façon régulière dans l’espace et alimentés par un système polyphasé.
L'énergie fournie au système est électrique.
Système de courants :
θ
ia A
B
C
ib
ic
M(a)
(b)(c)
tcos2Itia
32
tcos2Itib
34
tcos2Itic
© M. ZEGRARI 73Introduction aux
Machines Électriques
Théorème de Ferraris
En un point M, décalé de par rapport à l’enroulement (a), ces courants triphasés créent des f.m.m. triphasés :
La f.m.m. résultante est telle que :
On crée donc une f.m.m. tournante d'amplitude constante et qui tourne dans le stator à une vitesse angulaire .
costcos2nItFa
32
cos32
tcos2nItFb
34
cos34
tcos2nItFc
tcos2nI23
tFtFtFtF cbaM
© M. ZEGRARI 74Introduction aux
Machines Électriques
F.m.m. tournante : Forme d’onde
Expression de la f.m.m. résultante :
À t = 0 : maximum à = 0 axe de la phase A. À t = t : maximum à = t axe avancé de t, sa vitesse angulaire est . À t = 2/3 : maximum dans l’axe de la phase B axe avancé de (1/3) tour.
tcosnI23
F mM
t = 0t = t
t = T/3
F()
mnI23
t
T/3
© M. ZEGRARI 75Introduction aux
Machines Électriques
F.m.m. tournante : Champ mutipolaire
Pour créer une armature triphasée à (2p) pôles :
Chaque phase comporte (p) groupes de bobines.
L’ouverture angulaire des bobines est (/p).
Les bobines des phases deviennent décalées de (2/3p).
La force magnétomotrice résultante devient :
ptcosnI23
F mM
© M. ZEGRARI 76Introduction aux
Machines Électriques
Force magnétomotrice
Les courants électriques sont une source de champ magnétique :
Ce phénomène est formalisé par le théorème d’Ampère :
NS F
NSF
H
C
d.HInF
F
I
© M. ZEGRARI 77Introduction aux
Machines Électriques
F.m.m. d’une phase : cas d’une bobine
La force magnétomotrice s’écrit :
F.m.m. résultante périodique. Harmoniques de fréquences élevées (pertes magnétiques). Production d’une f.é.m. non sinusoïdale.
I
F()
+ (nI/2)
+ (/2)
- (nI/2)
- (/2) 2
InF
On considère une bobine de n spires, parcourue par un courant électrique d’intensité I.
© M. ZEGRARI 78Introduction aux
Machines Électriques
F.m.m. d’une phase : cas de sous-bobines
On divise la bobine en plusieurs sous-bobines :
Effets des encoches : La courbe F() est plus proche de la sinusoïde. La valeur efficace de la f.m.m. est réduite : Coefficient de bobinage.
F()
(nI/2)
2
(nI/6)
0
F.m.m. initiale à 2 encoches
© M. ZEGRARI 79Introduction aux
Machines Électriques
Bobinage d’une machine tournante
Le bobinage de stator d’une machine électrique tournante est réalisé de la manière suivante :
Encoches du stator
Section de bobine
© M. ZEGRARI 80Introduction aux
Machines Électriques
Couple créé par des f.m.m.
Cas de deux f.m.m. F1 et F2 fixes :
Cas de deux f.m.m. F1 et F2 tournantes aux vitesses 1 et 2 :
Le couple instantané est sinusoïdal, sa valeur moyenne est donc nulle.
Afin d'obtenir un couple moyen non nul, il est impératif que les deux forces magnétomotrices F1 et F2 tournent à la même vitesse.
02121 tsinFFT
sinFFT 21
© M. ZEGRARI 81Introduction aux
Machines Électriques
Vitesse de synchronisme
La machine synchrone est caractérisée par sa vitesse constante :
s = 2 ns : Vitesse de rotation synchrone (rad/s)
s = 2 fs : Pulsation des courants induits (rad/s)
p : Nombre de paires de pôles.
La vitesse du rotor est souvent indiquée en tr/mn :
ps
s
fs
s tr/ mn s tr/ s
60N 60 n
p
: Vitesse de synchronisme.
© M. ZEGRARI 82Introduction aux
Machines Électriques
Aspects du champ tournant
On produit un champ tournant à la vitesse s :
L’aiguille aimantée tourne à la même vitesse : = s
Le mouvements est Synchrone.
Le disque métallique tourne à une vitesse inférieure : < s
Le mouvement est dit Asynchrone.
On définit le glissement :s
r
s
sg
s
Aiguille aimantée Disque métallique
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