Mach Master Chp.1 Intro.mach.Elec

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.



Plan

Classification des machines

Conversion électromécanique

Caractéristiques des machines électriques

Entraînements électromécaniques

B

C

D

A

E Champ tournant dans les machines électriques



Conversion de l’Énergie Électrique

Inductances Condensateurs

Relais Transformateurs

Rotatifs

Linéaires

Conversion Electronique

Conversion Electromagnétique

Moteurs

Générateurs

Transducteurs

Conversion Statique

Conversion Dynamique




Intérêt des machines électriques

Rendement élevé.

Absence de pollution.

Souplesse et rapidité de réglage.

Réversibilité de fonctionnement.

Couple et puissance massique élevés.

Maintenance réduite.



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


Électro-aimants

Rotor à cage

Rotor massif

Séparée

Parallèle

Série

Composée



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.



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



Plan





B

C

D

A





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




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.



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



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.



Plan





B

C

D

A




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.



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)



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



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



Plan





B

C

D

A




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



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



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



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"



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"



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



Plan





B

C

D

A




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



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



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



À un instant t fixé (temps arrêté)

Effectuons un déplacement le long de l’entrefer :

0

B

Champ créé dans l’entrefer



0

BEffectuons un déplacement le long de l’entrefer :




0





0


B




0





0





0





0





0





0





0





0





0





0





0





0





0


B




0

Variation sinusoïdale de B avec la position .





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



N

N

SS

0 T




N

N

S

S

0 T




N

N

S

S

0 T




N

N

S

S0 T




N

NS

S0 T




N

N

S

S0 T




N

N

SS

0 T




NN

SS

0 T




N

N

S

S

0 T




N

N

S

S

0 T




N

N

S

S

0 T




N

N

S

S

0 T




N

N S

S

0 T




N

NS

S

0 T




N

N

S

S

0 T




N

N

SS

0 T




N

N

SS Le champ magnétique

tourne !0 T




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




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)




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)




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



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.



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



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



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



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



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



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



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.



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



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



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



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.



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

Documents

Mach Master Chp.1 Intro.mach.Elec