Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université de QASDI MERBAH – OUARGLA Faculté de science et science de l’ingénieur Département de mécanique 3éme année (ST/LMD) Option : énergétique MÉMOIRE De Fin d’Etude Pour Obtenir le Diplôme de Licence en Mécanique TÈHME Les Machines Électriques Fait par : Dirigé : TEMMAR yacine GOUAMID boumadien SEBIHI kheireddine BENCHEIKH ilyas prof. GEURMITE L’année universitaire 2009/2010 1 2 3 4 1-Généralisé. Une machine électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion d’énergie électrique en énergie mécanique, ainsi que la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. Suivant les conditions d’utilisation, une seule et même machine électrique peut opérer la conversion d’énergie dans les deux sens, c'est-à-dire qu’elle peut fonctionner soit en moteur soit en génératrice : les machines électriques sont dites réversibles 1-1Classifications des machines électriques : Les machines électriques font intervenir comme éléments fondamentaux : - les courants électriques ; - les champs magnétiques. Le fonctionnement est donc basé sur les lois de l’électromagnétisme On peut classer les machines électriques en trois catégories : 1-1-1Les machine génératrices : Ce type de machine transforme l’énergie mécanique en énergie électrique Selon que le courant électrique induit est continu ou alternatif, la machine génératrice sera appelée dynamo ou alternateur On remarque que : - dans le cas de l’alternateur, par rotation du champ magnétique, le circuit étant fixe ; - et dans le cas de la dynamo, par rotation du circuit électrique dans un champ magnétique fixe. 1-1-2Les moteur électriques : Leur fonctionnement est basé sur l’obtention d’un effort mécanique par action d’un champ magnétique sur un circuit électrique traversé par un courant fourni par une source extérieure, qui peut produire le champ magnétique Selon que le courant électrique fourni par la source extérieure est continu ou alternatif, la machine sera appelée moteur à courant continu ou moteur à courant alternatif (synchrone ou asynchrone). Elle inclure plusieurs types, comme : Le moteur asynchrone ; Le moteur synchrone ; Les moteurs à courant continu. Ce que nous allons en discuter dans notre exposé en détaille 5 1-1-3Les machines transformatrices : La catégorie la plus importante est le transformateur qui modifie la grandeur des courants et tensions alternatifs Son fonctionnement est basé sur l’induction d’un courant électrique dans un circuit conducteur fixe sous l’action d’un champ magnétique variable dans le temps mais fixe dans l’espace Les autres machines transformatrices (changeurs de fréquence, commutatrices transformant le courant alternatif en continu ou inversement) 1-1-4Autres types de machines électrique : A/- Les moteurs universelle: Les moteurs universels sont les moteurs les plus utilisés dans la vie domestique , Ils équipent les moulins à café, les mélangeurs, mixeurs et robots ménagers, les foreuses, les petits ventilateurs, les sèche-cheveux, aspirateurs... , Il s’agit de moteurs à collecteur, qui sont prévus pour fonctionner en courant alternatif monophasé (mais qui fonctionneraient mieux encore en courant continu , La vitesse de ces moteurs chute très vite lorsqu’un couple important leur est demandé comme nous le verrons B/- Les moteurs pas à pas : ces moteurs, très simples par leur constitution, mais nécessairement associés , à des dispositifs électroniques de commande et d’alimentation, ont des puissances comprises entre quelques watts et quelques centaines de watts . 1-2-Principe de fonctionnement des machines électriques : 1-2-1 Eléments constitutifs des machines électriques : On pratique les machines électriques transformée une énergie électrique en énergie mécanique .ou énergie mécanique en énergie électrique, sont des machines tournantes .qui compose un organe fixe dénommé stator et un organe mobile dénommé rotor D’autre face dans touts les machines électriques quelque soit on pourra toujours distinguer un organe destiné à créer le flux magnétique et que l'on désignera pour cette raison sous le nom "d'inducteur" et un organe portant les conducteurs qui sont le siège de forces électromotrices sous l'effet des phénomènes d'induction et que l'on désigne par le nom "d'induit". Une même machine peut jouer les deux rôles, moteur et générateur. Cependant elle sera plus spécialement dédiée à une des deux fonctions. Un alternateur (=générateur) de centrale électrique usuelle ne pourrait fonctionner en moteur sans conséquence grave pour la turbine mais pas pour lui-même puisqu’il passe d’une fonction à l’autre dans une centrale de pompage. Le moteur d’entraînement d’un laminoir réversible passe transitoirement en générateur. Les grandeurs auxquelles on s’intéresse sont évidemment différentes en fonctionnement moteur et en fonctionnement générateur. Dans un cas (générateur), ce sont les grandeurs électriques (tensions, courants, puissances), dans l’autre (moteur), ce sont les grandeurs mécaniques et notamment le couple 6 1-3-Composants des machines électrique : Les machines électriques se composent généralement par deux circuits l’un magnétique et l’autre électrique Pour concentrer le champ magnétique et faciliter la circulation du flux, on utilise des pièces en fer (acier), le fer canalise le flux magnétique, l’ensemble des ces pièces en fer constitue le circuit magnétique Pour localiser géométriquement le courant électrique et faciliter leur Circulation, on utilise comme matériau le cuivre (parfois l’aluminium). L’ensemble des conducteurs en cuivre constitue le circuit électrique. Le courant électrique ne circule qu'entre des points se trouvant à des potentiels différents. Il existe donc nécessairement une différence de potentiel entre les différents points d'un circuit électriques et entre celui-ci et le fer constituant le circuit magnétique. De là résulte la nécessité d'introduire un isolement d'une part entre conducteurs et d'autre part entre conducteurs et masse. La circulation du courant dans les circuits électrique ainsi que celle du flux dans le circuit magnétique entraîne des partes qui traduisent par une dissipation de calories, A ces partes électrique et magnétique s’ajoute, dans le cas de machine, D’où la nécessité d’assurer le refroidissement de toute machine électrique. Comme il est nécessaire d'assurer un mouvement relatif entre un circuit magnétique et un circuit électrique, on utilise le mouvement le plus simple à réaliser, c'est-à-dire le mouvement de rotation. On réalise des machines à symétrie tournante. Ces machines comportent donc une partie fixe appelée stator et une partie mobile (en rotation) appelée rotor. Ces deux parties sont séparées par un intervalle d'air appelé entrefer et dont le but est de permettre la libre rotation relative des circuits en présence. 1-4-GRANDEURS CARACTERISTIQUES DES MACHINES ECTELRIQUES 1-4-1 Grandeurs nominales : La valeur d'une grandeur physique propre à un appareil quelconque est dite nominale lorsque le constructeur garantit, avec un coefficient de sécurité dont il est responsable, que cet appareil pourra fonctionner indéfiniment à cette valeur sans subir d'usure ou de vieillissement anormal. Les différentes valeurs nominales d'une machine figurent dans la spécification de la machine et sont indiquées clairement sur la plaque signalétique. Dans un système triphasé, la tension nominale est la tension entre phases. Donc, si une tension nominale d'un réseau électrique est donnée sans autre spécification il faut toujours l'entendre comme une tension entre phases. En ce qui concerne les puissances nominales : - il s'agit de la puissance électrique développable à ses bornes, exprimée en kW. 7 - pour un alternateur et un transformateur, il s'agit de la puissance électrique apparente développable à ses bornes, exprimée en kVA. - pour un moteur (à courant alternatif ou à courant continu), il s'agit de la puissance mécanique disponible sur l'arbre du moteur, exprimée en kW. Dans un système triphasé alternatif, la puissance nominale est la puissance triphasée. 1-4-2 Rendements des machines : Le rendement de la machine électrique est égale la puissance utile à la sortie de la machine sur la puissance absorbée par la machine. la formule du rendement s’écrire : n= Pu/ Pa Pu : la puissance utile à la sortie de la machine. Pa :la puissance absorbée par la machine. Dans le cas les machin génératrices la puissance absorbée est une puissance mécanique et la puissance utile est une puissance électrique, pour une machine motrice c’est l’inverse. Dans les transformatrice la puissance utile et la puissance absorbée sont toutes deux des puissances électrique. 1-4-3-Les pertes fixes sont : Les pertes mécaniques, fonction uniquement de la vitesse qui constant. Les pertes fer, fonction de la fréquence et l’induction qui sont constantes. Les pertes cuivre, par contre sont variables en fonction de l’intensité. 1-4-4-Mesure le rendement ; Il ya deux méthodes : la premier méthode directe, elle consiste à mesure la puissance électrique par watté, mètre ou voltmètre, et mesure la puissance mécanique .cette méthode est difficile. Méthode indirecte : mesurer les pertes Pour mesure les pertes on peut utiliser deux méthode : La première méthode : mesurer l'énergie correspondant aux pertes en mesurant l'échauffement du fluide réfrigérant ou, dans le cas du refroidissement "intérieur", Celui de l'air qui, dans ce cas, traverse la machine. . Il faut y ajouter les pertes par Rayonnement de la surface de la machine. Cette méthode est très délicate et Offre l'inconvénient de nécessiter la pleine puissance de la machine. La deuxième méthode : mesurer les pertes séparément. Le rendement des machines électriques est e n général très bon, supérieur à 90 % et même 99% pour les gros transformateurs et les alternateurs les plus puissants. 8 1-4-5-Caractéristiques des machines tournantes : Les caractéristiques des machines électriques sont d'un intérêt fondamental pour l'utilisateur. Ainsi, nous avons déjà brièvement abordé les pertes et le rendement, qui nécessitent une connaissance des phénomènes internes à la machine. Pour l'utilisateur, la machine électrique ne constitue qu'une partie d'un système plus large, par exemple, pour une machine motrice : Alimentation - Machine - Charge - Régulations (vitesse, tension) - Protections ... Dans un tel contexte, il est intéressant de considérer la machine électrique comme une boite noire possédant des entrées et des sorties liées par des relations qui sont caractéristiques de la machine. 9 10 2-Générateur 2-1Générateur de tension : On trouve plusieurs sortes de courant électrique: - Le courant continu (la pile, la batterie, ou l'accu pour les générateurs de tension continue) - Le courant alternatif (l'alternateur pour le générateur de courant alternatif) - Le courant redressé (la dynamo pour le générateur de courant redressé) 2-1-1Les générateurs de tension continue : 1) La pile électrique La pile électrique, c'est celle que vous utilisez tous les jours, celle qui n’est pas rechargeable, Elle est constituée de deux matériaux conducteurs différents, appelés électrodes, et qui sont séparé par un produit conducteur (l'électrolyte) Cet assemblage créé une réaction chimique au cours de laquelle s'effectue un déplacement d'électron de la borne (électrode en zinc) vers la borne "+" (crayon de charbon) C'est ce déplacement d'électron qui créé le courant électrique, qui lui, va dans l'autre sens La capsule de laiton, placé à l'extrémité de l'électrode "+" permet un bon contact. La cire d'obturation, la rondelle de carton et l'embouti de carton maintienne cette électrode tout en l'isolant du tube de zinc, qui est le contour de la pile et qui joue le rôle de la deuxième électrode. Une pile est donc constituée de deux électrodes avec un produit conducteur entre les deux, Une pile est polarisée : il y a un "+" et un "-". Il ne faut pas se tromper, sinon, votre appareil ne fonctionnera pas, ou pire, sera détérioré, vous connaissez déjà, je pense, les différentes sortes de pile: -Les pile de 1,5 V, les "piles rondes", que vous mettez dans votre baladeur, qui son "petites" ou "grosses". Le "+" est le coté qui à la petite bosse. - Les piles de 4,5 V, les "piles plates" que vous mettez dans votre lampe de poche. Dans celles ci, le "+" est repéré par la broche la moins grande. Si vous ouvrez une pile de ce type -usagée, il ne faut pas la gâcher- vous constaterez qu'elle est constituée simplement de... 3 piles rondes (soit 1,5V la pile) reliés en série. Figure 2-1: Les composent fondamentaux de pile 11 2-1-2Les générateurs de tension alternative : Il y a un seul type de générateur de tension alternative : L'alternateur. On le trouve sur les vélos sous le nom, donné à tort, de "dynamo". L'alternateur est constitué d'un aimant tournant entre deux bobines de fil, au bout desquelles on récupère la tension alternative. En effet, il faut savoir qu'un champ magnétique induit (=produit) un courant électrique (donc une tension) s'il y a un fil électrique à proximité. Mais l'électricité ainsi produite est très faible. Aussi, pour augmenter la tension, en enroule le fil: on a ainsi plus de fils autour de l'aimant. Si l'on approche cet aimant, le courant ne sera produit qu'un court instant: on aura un pic de tension, et puis plus rien... Aussi, on fait tourner l'aimant pour que la production de courant puisse continuer... Mais comme la bobine se trouve soumise alternativement au pole sud de l'aimant, puis au pole nord, le courant recueillis est bien alternatif. Un fil électrique, comme tout le reste, est constitué d'atomes. Ces atomes sont eux-mêmes constitués d'un noyau et d'électron en mouvement autour... Dans certaines matières, comme le métal, certains électrons peuvent bouger et se détacher de l'atome dont ils font partis plus facilement que dans d'autres matériaux (comme le plastique). On les appelle "électrons libres". Lorsque l'on approche un champ magnétique (d'un aimant par exemple), ces électrons se trouvent perturbés, et changent de place pour être "en accord" avec le champ magnétique. On a donc un déplacement d'électrons: c'est le courant électrique. Mais lorsque ces électrons ont trouvés leur nouvelle place, ils sont bien et ne bougent plus: donc, il n'y a plus de courant. Pour créer à nouveau un courant, il faut modifier le champ magnétique. En le supprimant par exemple. Les électrons vont donc bouger à nouveau pour reprendre leur position initiale: on a un nouveau courant, dans l'autre sens cette fois. On peut faire l'inverse: un aimant fixe et une bobine qui tourne au milieu Fig 2.2 : le dynamo alternative 12 2-1-3Les générateurs de tension redressée : Ce sont les dynamos qui fournissent ce type de courant. Une dynamo est formée des deux mêmes parties qu'un alternateur, mais cette fois, c'est la bobine qui tourne et deux aimants sont situés sur le côté. Comme ce sont les bobines qui tournent et que le courant se récupère aux bobines, il faut un collecteur qui récupère ce courant. Le collecteur tournant également, il faut des balais, qui, comme leur nom l'indique, frottent sur le collecteur afin de récupérer le courant. Une dynamo peut, si on lui envoi du courant continu, devenir un moteur fonctionnant au courant continu. Ici, j'ai représenté 3 bobines, ou du moins, 3 points de la bobine où l'on récupère du courant. Mais en fait, une simple bobine avec ses deux extrémités suffis, comme le dessin ci-dessous: Le principe est le même que l'alternateur, mais, grâce à l'ensemble collecteur balais, le courant est redressé. Vous allez dire "oui, mais l'alternateur aussi peut comporter un ensemble collecteur balais", et pourtant, c'est bien du courant alternatif que l'on recueille". Oui, mais il y a une petite différence... En effet, l'alternateur comporte deux collecteurs bien distincts, alors que la dynamo n'en possède qu'un seul, divisé en deux par un isolant (en noir). Résultat: le balai du haut recueille toujours le courant généré par le pole nord, on à donc un courant qui va dans le même sens. Fig2.3 : la dynamo pour le générateur de courant redressé 13 2-2Générateur électrochimique : 2-2-1-Historique : Est-il besoin de rappeler que le générateur électrochimique fut la seule méthode commode de production de courant pendant la période 1800-1875 avant la mise en service de la « machine dynamo-électrique» inventée par Zénobe Gramme en 1872 ; On doit notamment à leur utilisation la découverte de plusieurs Eléments par Electrolyse, des expériences en faveur de la théorie atomique, la découverte des lois de l’électricité et de L’électromagnétisme puis la mise en service du télégraphe et le développement industriel des traitements électrochimiques de surface (galvanoplastie, dorure, argenture…) Ce fut Volta qui publia en 1800 que l’association de deux métaux différents et d’un conducteur de seconde espèce (un électrolyte) produisait du fluide électrique et que la mise en série (empilement) de tels générateurs augmentait la force du fluide électrique. De 1800 à 1835, la majeure partie des piles était constituée par le couple zinc - argent ou zinc - cuivre en milieu légèrement acide. Le fonctionnement de ces piles était rapidement limité par des phénomènes de a polarisation a aux électrodes. 2-2-2-Caractéristiques générales : La mise en service des générateurs tournants permit d’obtenir des courants beaucoup plus importants à des prix bien plus faibles. L’utilisation des générateurs électrochimiques fut donc rapidement limitée à certains usages particuliers liés à leurs caractéristiques. La première caractéristique du générateur Electrochimique est en effet l’autonomie. Il est utile et utilisé quand la connexion au réseau est impossible ou trop onéreuse. C’est le cas des systèmes mobiles, véhicules électriques par exemple, et des systèmes portatifs ou portables (téléphone). La deuxième caractéristique des piles et accumulateurs actuels est la disponibilité. L’énergie est immédiatement disponible sans délai de mise en route, généralement en un temps inférieur à la milliseconde, imposé par la self-inductance du circuit. C’est une des raisons de leur utilisation comme générateurs de secours. La troisième caractéristique des générateurs actuels est la souplesse. Dans la limite de leur puissance maximum, ils adaptent instantanément la valeur du courant à la puissance demandée. Comme pour tout générateur de courant, la puissance maximum est obtenue quand la résistance du circuit extérieur est égale à celle du générateur. A ce stade, le rendement énergétique n’est plus que de 50 % et le fonctionnement du générateur est instable. Le fonctionnement normal d’un générateur se situe en général à la moitié de la puissance maximale, au-dessus les pertes sont importantes et le générateur chauffe, au-dessous, le générateur est sur - dimensionné en puissance. Dans les piles, cette qualité est liée à la passivation des métaux formant l’anode. La quatrième caractéristique des générateurs électrochimiques est la discrétion. Sans pièces tournantes, ils fonctionnent sans bruit ; fermés, ils n’émettent pas de polluant et généralement ne font l’objet d’aucun entretien ou de peu d’entretien ? Cette qualité n’est plus conservée 14 intacte dans les piles ‡ combustible. Dans ce cas, en effet, le système gère des flux et adapte les flux de combustible et de comburant à l’entrée à la puissance demandée tout en évacuant les produits de réaction et la chaleur produite. 2-2-3-Constitution : Dans un générateur électrochimique élémentaire, Il comprend des collecteurs de courant, conducteurs électroniques exclusivement, des masses actives et un séparateur, conducteur ionique. La masse active positive est constituée par un couple redox 1. Et fixe celui du collecteur de courant positif. La masse active négatives est formé par un couple redox 2, on générale a l’état réduit quand le générateur est chargé, son potentiel en circuit ouvert fixe celui du collecteur de courant négatif a une valeur inférieure a celui du collecteur positif .Entre les deux masses actives, un séparateur doit permettre le passage du courant électriques, mais pas celui des électrons, faute de quoi la masse oxydante oxyderait la masse réduite, le système serait en court-circuit et s’auto déchargerait. Le séparateur est donc exclusivement conducteur ionique. Le séparateur doit également empêcher la diffusion ou le transport de matière qui provoquerait une auto décharge du générateur ou sa mise en courtcircuit. Pour cette raison les masses actives sont généralement des solides. Si le circuit extérieur est fermé sur une résistance, la masse positive est mise en contact résistant avec la masse négative et son potentiel s’abaisse par rapport à sa position D’équilibre, il devient cathode et fournit des électrons à la masse positive qui se réduit. Le potentiel de la masse négative augmente par rapport à son potentiel d’équilibre, elle devient anode et extrait des électrons de la masse négative qui s’oxyde. Les réactions inverses se produisent à la recharge si le générateur est rechargeable. Un générateur électrochimique élémentaire comprend au minimum (voir schéma) : Fig2.4 : générateur électrochimique élémentaire 15 2-2-4-Capacité : Un générateur électrochimique est caractérisé par sa tension nominale et par sa capacité, Dans une pile Leclanché, le boitier est en zinc, donc sur capacitif par rapport au bioxyde de manganèse. Dans la pile alcaline, au contraire, c’est la masse de zinc qui limite la capacité, La capacité massique la plus élevée des générateurs commerciaux est celle du couple Li/SOCl2 avec plus de 500 Wh/kg et plus de 1000 Wh/L. Cette capacité est souvent considérée comme faible par rapport à l’énergie thermique contenue dans un hydrocarbure 10kWh/kg. Mais un hydrocarbure ne produit pas seul de l’énergie électrique, Avec la masse dioxygène nécessaire à la combustion, l’énergie tombe à 2 kWh/kg soit au mieux 1000 Wh/kg avec un rendement de 50 %, sans compter la masse du moteur. Que dire si on compte le volume, ou la masse d’air .Dans le cas des vols spatiaux, l’énergie est assurée par des piles à combustible et non par des moteurs thermiques et en cas de besoin d’énergie de secours par des piles Li/SOCl2. Pour l’électronique portable, l’énergie volumique compte plus que l’énergie massique. Les piles boutons zinc - air des prothèses auditives dépassent 1000Wh/L, les piles zinc - air sont relativement économiques, mais leur puissance est limitée par celle de l’électrode à air. Les piles boutons classiques sont des piles alcalines zinc - oxyde d’argent, relativement couteuses. Les piles les plus courantes sont les piles alcalines zinc - MnO2 et les piles au lithium Li - MnO2 (3V) et Li - FeS2 (1,5 V) utilisées par exemple en photographie. Les capacités des accumulateurs sont sensiblement plus faibles que celles des piles, environ 150 Wh/kg pour l’accumulateur Li-ion, 70 Wh/kg pour Ni/MH, 50 Wh/kg pour Ni/Cd, 35 Wh/kg pour le plomb. Il existe un facteur 3 à 7 entre les capacités théoriques du couple et la réalisation pratique en batterie d’accumulateur. Il ne parait pas raisonnable que l’on puisse dépasser prochainement 200 Wh/kg, objectif des accumulateurs lithium _ polymère. Des Éléments expérimentaux sodium - soufre ont atteint 250 Wh/kg. Les capacités volumiques sont plus importantes, voisines de 300 Wh/L pour Li -ion et Ni/MH développé spécifiquement pour leur capacité volumique élevée. Les rendements de stockage de l’énergie varient selon les accumulateurs et les conditions d’utilisation, les rendements faradiques des accumulateurs aqueux peuvent atteindre 90 %, il est pratiquement de 100 % pour l’accumulateur Li -ion très peu sujet à l’auto décharge. Les rendements énergétiques dépendent naturellement des procédures de charge choisies. En limitant les surtensions à 10 % de la tension nominale, on obtiendra un rendement Énergétique voisin de 80 %. Actuellement les énergies renouvelables utilisent presque exclusivement les batteries au plomb pour le stockage de l’énergie, en raison principalement de leur cout, au maximum 1000 F par kWh stocké. Ces batteries sont malheureusement sensibles aux usages abusifs et leur durée de vie est souvent bien inférieure à celui du dispositif générateur, photovoltaïque par exemple. 16 2-2-5Puissance : La puissance maximum que peut fournir un générateur de tension E et de résistance interne R vaut E2/4R. La puissance des générateurs Electrochimiques dépend de nombreux facteurs, notamment la conduction ionique et électronique des masses actives, variables avec l’état de charge, la résistance ionique du séparateur, la surface des collecteurs de courant par rapport au volume des masses actives. La construction spiralée, avec une grande surface de séparateur, améliore la puissance spécifique au détriment de la capacité. Il est fréquent d’ajouter des conducteurs électroniques (graphite) aux masses actives dont la conduction électronique est faible (MnO2). La diminution de l’épaisseur du séparateur augmente la Puissance au détriment du risque de court-circuit et de l’autodécharge. Les générateurs les plus puissants fonctionnent sous des densités de courant de l’ordre de 1 A/cm2 La pile alcaline Zinc-MnO2 est relativement puissante. L’accumulateur alcalin zinc - oxyde d’argent, cyclable une vingtaine de fois, est très puissant et capacitif. Les grosses piles de puissance doivent être refroidies avec circulation de l’électrolyte dans des radiateurs, c’est le cas des piles propulsant les torpilles de 70 kW et plus, piles Li/SOCl2 à circulation d’électrolyte, piles aluminium - oxyde d’argent amorçables à l’eau de mer. Les accumulateurs sont puissants. L’accumulateur au plomb est utilisé principalement pour démarrage des automobiles. L’accumulateur courant le plus puissant est l’accumulateur cadmium nickel, utilisé pour les outils portables, il conserve une bonne puissance à froid, mais chauffe assez fort à la décharge Il est utilisé pour le démarrage des avions et des hélicoptères. Une batterie-aviation de 40 Ah - 24 volts pèse 38 kg et peuvent fournir 1 600 ampères sous 18 volts. La puissance spécifique des accumulateurs lithium ion est élevée, car leur tension est Élevée et leur résistance interne faible, par construction. Il ne faut pas oublier que faire fonctionner un accumulateur en permanence à fort régime provoque un échauffement important. C’est un problème sérieux pour le fonctionnement des accumulateurs dans les véhicules hybrides. 2-2-6 Les piles à combustible : La majeure partie des générateurs examinés jusqu’ici étaient des systèmes fermés, Les piles à combustible (0,6 à 0,8 V par élément) sont des systèmes ouverts ou il convient d’adapter les flux d’entrée (combustible, comburant) et de sortie (produits, chaleur) à la puissance électrique demandée Ces systèmes de fourniture d'énergie électrique différent des batteries citées ci-dessus dans la mesure où l'énergie n'est ici pas stockée dans les électrodes (matières actives) mais dans des réactifs qui sont apportés au fur et à mesure des besoins de la pile (commandés par 17 les besoins de l'utilisateur). L'avantage essentiel de ces systèmes est de dissocier la "fonction puissance" de la "fonction énergie" ; il est ainsi possible d'optimiser le cœur de pile pour la puissance, l'énergie étant apportée par la quantité de réactifs transportée dans des réservoirs appropriés. Ces réactifs sont classiquement des fluides, généralement de l'hydrogène pour l'électrode négative alors qu’à la cathode, celle-ci utilise l'oxygène présent dans l'air environnant, qui n'est donc pas transporté. Cette fois, l’avantage parait être à l’hydrogène (40 kWh/kg) par rapport aux hydrocarbures, mais les meilleures façons de stocker l’hydrogène ont une capacité de l’ordre de 7 %. L’avantage principal de la pile à combustible est double : elle produit de l’eau non polluante ; son rendement Energétique est très élevé, notamment en cogénération. à puissance maximum le rendement électrique sera inférieur à 50 %, mais à basse puissance il peut atteindre et dépasser 70 %, celui des moteurs thermiques. Dans les applications aux transports particuliers, la seule technologie qui apparait utilisable actuellement est celle des piles à membrane dites "PEMFC" notamment. En effet l’utilisation d’un électrolyte solide, conducteur ionique sélectif, permet d’éviter le noyage et L’assèchement des électrodes liés aux modifications de régime. La puissance massique du cœur de pile est dans ce cas de l'ordre de 500 W/kg, mais son cout du kW reste encore trop élevé pour observer une généralisation de ce type de système. Les couts les plus importants sont ceux de la membrane (en polymère perfluoré pour résister à l’oxydation) et ceux des plaques bipolaires qui assurent la jonction électrique entre éléments, mais aussi l’arrivée et la distribution des gaz, l’évacuation de l’eau et de la chaleur. Actuellement, seules les piles alcalines sont commercialisées, toutes les autres sont à L’état de piles de démonstration ou en développement. Mais les usines de production de « PEMFC » devraient commencer à produire en 2002. Les systèmes électrochimiques permettent des applications dans différents domaines de la vie économique, notamment dans les applications aux transports lourds ou légers. Suivant l'application considérée, les accumulateurs, la pile à combustible et les super condensateurs sont plus ou moins bien adaptés et le choix, ainsi que leur association doivent être effectués en fonction des objectifs qui doivent être privilégiés pour chacune de ces applications. En tout état de cause, les systèmes électrochimiques présentent la propriété remarquable de pouvoir transformer de l’énergie chimique en énergie électrique et réciproquement et ce, dans des conditions, voisines de la réversibilité thermodynamique, sans émission de polluant sans nuisances sonores et très peu de conditions de maintenance. Leur cout, relativement élevé, limite encore leur utilisation à des applications particulières. 18 2-3-Alternateur : 2-3-1Généralité : L'alternateur est une machine tournante , on peut considère qu’est il une machine synchrone si elle fonctionne en génératrice , il capables de transformer une énergie mécanique en énergie électrique il nécessitent une alimentation en courant alternative , La famille des alternateurs peut classer dans trois catégories principales , les alternateurs industriels (centrale électrique à gaz, hydraulique, nucléaire et les groupes électrogènes triphasé à énergie essence ou diesel), les alternateurs domestiques (groupe électrogène monophasé) , les alternateurs embarqués (automobiles). 2-3-2Constitution: L'alternateur possède deux parties principales : - L'inducteur porté le plus souvent par le rotor - L'induit porté par le stator parcouru par des courants alternatifs - a – Inducteur : Le champ magnétique est crée par un aimant permanent ou par un électroaimant alimenté par un courant continu IE, appelé courant d'excitation. Le rotor tourne à la fréquence f, et crée un nombre p de paires de pôles - b - Induit : Il est au stator, bobines fixes, le plus souvent triphasé. Il est le siège de f.e.m induites - c – champ tournant : Les courants alternatifs dans le stator créent un champ magnétique tournant à la pulsation 2-3-3Relation entre vitesse de rotation et fréquence des tensions triphasées : 𝛺𝑠 = 𝑛𝑠 = 𝜔 𝑝 𝛺𝑠 : vitesse de rotation du champ tournant en rad.s-1 ; 𝑓 𝑝 𝑛𝑠 : vitesse de rotation des champs tournant en trs.s-1 ; 𝜔 : Pulsation des courants alternatifs en rad.s-1. ω = 2.π.f ; 𝑓 : Fréquence des courants alternatifs en Hz ; 𝑝 : Nombre de paires de pôles. 19 2-3-4- Etude de l'alternateur : A/LA F.E.M A VIDE DANS un alternateur : A-1/ESSAI A VIDE : Le stator n'est traversé par aucun courant. Le champ tournant est issu de la roue polaire, entraîné par un système auxiliaire. Nous récupérons trois f.e.m induites sinusoïdales de valeur efficace, aux bornes du stator IE varie par valeurs croissantes puis décroissantes, nous relevons𝐸𝑣 , tension à vide aux bornes d'une phase ETUDE DE LA F.E.M A VIDE : La f.e.m induite 𝑒𝑣 (𝑡) = 𝐸𝑣 √2 sin(𝜏) est sinusoïdale. Elle est créée par le flux 𝜑(𝑡) issu du champ magnétique tournant porté par la roue polaire, ce flux a pour expression 𝜑(𝑡) avec (𝑡) = 𝜑𝑚𝑎𝑥 cos(𝜔𝑡) , Le stator comporte N conducteurs, donc N/2 spires , et on a : 𝑒𝑣 (𝑡) = − 𝑑𝜑 = −𝜔. 𝜑𝑚𝑎𝑥 sin(𝜔𝑡) = 𝐸𝑣 √2sin(𝑤𝑡) 𝑑𝑡 La valeur théorique de la valeur efficace de la f.e.m𝐸𝑣 . est donc : 𝐸𝑣 = 𝜋. 𝑓. 𝜑𝑚𝑎𝑥 Cette valeur efficace est celle de la f.e.m à vide aux bornes de l’alternateur monophasé ou bien celle aux bornes d'une phase et du neutre de l’alternateur triphasé. En réalité j (t) n'est pas vraiment sinusoïdale et les différentes f.e.m ne sont pas en phase. La résultante 𝐸𝑣 (t) est le module d'une somme vectorielle. Pour traduire ces imperfections, on introduit un coefficient K qui caractérise la machine. La valeur efficace réelle de la f.e.m à vide s'exprime par la relation : EN MONOPHASE : les forces électromotrices induites s'ajoutent et les différentes spires sont mises en série, on aura donc :𝐸𝑣 = 𝑘. 𝑓. 𝑁. 𝜑𝑚𝑎𝑥 avec : 𝐸𝑣 F.e.m induite dans un enroulement en volts 𝑓 Fréquence des f.e.m induites en hertz 𝜑𝑚𝑎𝑥 Flux utile maximal sous un pôle en webers 𝑁 Nombre de conducteurs par phase. 20 𝑘 Coefficient de Kapp constant pour un alternateur donné tel que : 𝑘 = 2,22.KD.KF 𝑘 D facteur de distribution voisin de 0,7 𝑘 F facteur de forme voisin de 1,05 EN TRIPHASE : Trois enroulements monophasés identiques sont décalés d'un tiers de l'intervalle compris entre deux pôles consécutifs de même nom. L’alternateur est ainsi équivalent à trois alternateurs monophasés identiques que l'on couple soit en triangle soit en étoile. La force électromotrice entre deux enroulements dépend du mode de couplage : la relation précédente donne donc la valeur efficace d'une tension simple si les enroulements sont couplés en étoile, et la valeur d'une tension composée s'ils sont couplés en triangle. A-2/ALTERNATEUR EN CHARGE : ETUDE EN CHARGE : L'état de l'alternateur est fixé par le point de fonctionnement P, qui dépend de deux paramètres variables et trois paramètres constants 𝑝 = 𝑓(𝑉; 𝐼; 𝑛; 𝐼𝑒; ∅) 𝑉 tension entre phase et neutre en volts 𝐼 courant dans un fil de phase en ampères 𝑛 fréquence de rotation de l'alternateur en tr / s 𝐼𝑒 courant d'excitation en ampères ∅ déphasage entre 𝑉 et 𝐼. L’alternateur triphasé est entraîné à vitesse constante. Il alimente une charge équilibrée. L'intensité IE du courant d'excitation est maintenue constante, le déphasage tension courant est imposé par la charge. Les chutes de tension sont importantes (20 à 30 fois plus grandes que pour le transformateur) elles ne sont que très partiellement dues aux résistances des enroulements (1 % seulement), la cause principale de ces chutes de tension est l'existence du champ magnétique Bi, crée par le stator. Lorsque l'induit débite du courant, il crée un champ magnétique, appelé Réaction Magnétique d'Induit, R.M.I, qui vient modifier le champ issu de l'inducteur L'inducteur, porté par le rotor, crée un flux, j (t), à l'origine d'une f.e.m induite 𝐸𝑣 au stator (induit). Lorsque l'induit est fermé sur une charge, il est parcouru par des courants sinusoïdaux induits, i1, i2 et i3 qui vont à leurs tours créer un flux variable Ji (t) qui va diminuer considérablement le flux jch (t) résultant, en charge, donc agir sur la f.e.m Ech de la machine. Cette diminution de Ech par rapport à 𝐸𝑣 implique une diminution importante de la tension V. 21 Le flux ∅ crée par l'inducteur, induit 𝐸𝑣 = −𝑗𝜔𝜑 La R.M.I introduit le flux ji qui induit 𝐸𝑖 = −𝑗𝜔𝜑𝑖 Le flux résultant 𝜑𝑐ℎ s'exprime par la relation vectorielle : En charge, la f.e.m est donc donnée pour une machine non saturée par la relation : 𝐸𝑐ℎ = 𝐸𝑣 + 𝐸𝑖 2-3-5BILAN DES PUISSANCES : a - PUISSANCE UTILE : U : Tension entre deux bornes de phases. I : Intensité du courant de ligne. cos(∅): Facteur de puissance imposé par la charge. En monophasé : Pu = UI.cos(∅) En triphasé : Pu = UI√3.cos(∅) b - BILAN DES PERTES : - La puissance reçue : L’alternateur reçoit une puissance mécanique PM qui lui est fournie par le moteur d'entraînement : 𝑃𝑚 = 𝑇𝑚 . 𝛺 - Les pertes collectives : Ce sont des pertes mécaniques (Pm), qui ne dépendent que de la fréquence de rotation et les pertes dans le fer (Pf), qui ne dépendent que de la fréquence et de la valeur maximale du flux. Ces pertes seront mesurées au cours d'un essai à vide dans lequel la machine tourne à la fréquence de rotation nominale, sous une tension égale à la tension qu'elle aurait en charge. En effet, l'égalité des tensions efficaces entraîne celle des flux. - Les pertes par effet Joule dans l'inducteur : Ue : Tension aux bornes de l'inducteur. IE: Intensité du courant d'excitation. 22 𝑃𝐽𝑒 = 𝑈𝑒 𝐼𝑒 - Les pertes par effet Joule dans l'induit : - En monophasé : R : Résistance de l'enroulement induit. I : Intensité efficace du courant débité par l'induit. 𝑃𝐽 = 𝑅𝐼 2 - En triphasé : R : Résistance mesurée entre deux bornes de phase de la machine. I : Intensité efficace du courant de ligne. 𝑃𝐽 = 𝑅𝐼 2 23 2-4-Génératrice asynchrone : 2-4-1Définitions : C'est une machine à induction asynchrone qui transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique, son rotor est généralement à cage d’écureuil, La puissance nécessaire à sa magnétisation est fournie par le réseau lorsqu'elle est couplée en parallèle ou par une batterie de condensateurs dans le cas d'une utilisation isolée. 2-4-2Utilisation : On peut utilise les génératrice asynchrone dans les états suivants : une mini centrale ou micro centrale hydraulique une éolienne une turbine ou moteur a gaz de récupération. un groupe électrogène 2-4-3Fonctionnement d’une génératrice asynchrone : 1 – Particularités : Une génératrice synchrone (alternateur) est entraînée en fonctionnement normal à sa vitesse de synchronisme (par exemple 1500 min-1 pour un 4 pôle). La génératrice asynchrone elle, doit être entraînée au-delà de sa vitesse de synchronisme pour fournir de l'énergie électrique. Cependant, ces machines asynchrones ne possèdent pas comme les alternateurs un circuit d'excitation. II faut néanmoins fournir la puissance de magnétisation aussi bien en génératrice qu'en moteur; il ne s'agit pas d'une puissance utilisable, appelée puissance active , puissance réactive, correspondant à une composante du courant à facteur de puissance nul. Ce courant peut être emprunté au réseau mais peut aussi bien être obtenu de façon statique en branchant en parallèle à la machine une batterie de condensateurs. En outre, en ajustant ces condensateurs de façon précise, il est possible, dans certaines conditions, d'utiliser une génératrice asynchrone en dehors d'un réseau, fonctionnement autonome pour alimenter une charge isolée 2. - Fonctionnement sur réseau : Dans un moteur d'induction alimenté à partir d'un réseau, la tension appliquée aux bornes du bobinage induit dans le circuit magnétique un flux tournant par rapport au stator qui tend à entraîner le rotor conformément aux lois de l'induction. Si ce dernier n'est pas accouplé, il tourne pratiquement à la vitesse de ce flux, soit la vitesse de synchronisme Nsy. Si on lui applique une charge, le couple résistant provoque un effet de freinage qui le fait glisser par rapport au flux tournant ; l'écart de vitesse est, pour les moteurs classiques, relativement faible et le glissement ne dépasse pas quelque pour-cent pour sa valeur nominale. 24 Au lieu de charger la machine, il est également possible de l'entraîner à l'aide d'un moteur, une turbine hydraulique par exemple. A ce moment le couple appliqué va l'entraîner un peu plus vite que le flux tournant : le glissement change de signe en même temps que la puissance active électrique : absorbée sur le réseau pour le fonctionnement en moteur, fournie au réseau pour le fonctionnement en génératrice. Cependant pour produire le flux, dans un cas aussi bien que dans l'autre, le circuit magnétique doit recevoir une énergie de magnétisation ; celle-ci toujours fournie à la machine, est réactive car elle correspond à une composante du courant (ampère-tour de magnétisation) en quadrature avec la tension. Afin d'éviter de pénaliser le réseau, on utilise souvent une batterie de condensateurs branchée en parallèle avec la machine et qui fournit tout ou partie de la puissance réactive nécessaire, la puissance nécessaire en kVAR est donnée dans les tableaux de caractéristiques électriques 3-Démarrage de la génératrice : Celui-ci est habituellement assuré par la machine d'entraînement : aussi dans leur grande généralité, les génératrices asynchrones sont des machines a cage. II est toutefois possible, dans certains cas particuliers, de les utiliser momentanément en moteurs pour assurer ou faciliter le lancement du groupe générateur ; dans ce cas l'insertion temporaire de résistances en série avec la machine permet de limiter l'appel de courant tout en assurant un couple réduit mais suffisant pour un démarrage à vide. Ces mêmes résistances seront d'ailleurs normalement utilisées, même lorsque le démarrage est effectué par la seule machine d'entraînement, pour faciliter le couplage sur le réseau en réduisant la pointe due à la magnétisation. 4. - Détermination approximative d'une génératrice asynchrone (1) Les fonctionnements en moteur et en génératrice d'une machine asynchrone d'induction sont très voisins. Considérons les courbes de couple et d'intensité en fonction du glissement absolu (écart de vitesse en tr/min par rapport g la vitesse de synchronisme). Pour Pour N négatif, la machine est utilisée en moteur. N positif, la machine est utilisée en génératrice 25 Exemple numérique : Considérons un moteur de puissance utile de 75 kW U = 380V , f = 50 Hz , I = 140A , cos = 0,85 (donc sin = 0,527) N = 1475 min-1 donc g = 1500 - 1475 = 25 min-1 Les puissances actives et réactives fournies par le réseau sont : P= Q= U I cos U I sin = . 380 . 140 . 0,85 = 78500 W = . 380 . 140 . 0,527 = 48700 VAr Si la machine est utilisée en génératrice elle fournira P en absorbant Q sous 380V et 50 Hz en tournant à la vitesse N' = Nsyn+ g , soit 1500 + 25 = 1525 min-1 26 2-5- génératrice la dynamo : 2-5-1-Définition : On appelle dynamo un courant continu une machine qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique sous forme de courant électrique continu. En pratique on utilise le terme « moteur » lorsqu'il fonctionne en récepteur et « dynamo » lorsqu'elle fonctionne en génératrice. 2-5-2-Constitution: La dynamo se compose essentiellement de deux parties : Partie stator : elle se compose d’une carcasse fixe qui supporte deux pôles (nord et sud) appelée inducteurs, pas de contact mobile pour le courant d'excitation. Partie rotor : cette partie tournante est constituée d’un anneau de fer doux sur lequel est enroulé un bobinage aux bornes duquel on recueille le courant induit. C’est la raison pour laquelle on l’appelle « induit ». dans ce cas, le collecteur assure des contactes pour le courant généré. La courant induit : quand on démonte une dynamo, on aperçoit un aimant est une bobine ; long fil de cuivre enroulé sur un support, celle-ci est le siège d’un courant électrique appelé « courant induit ». L'aimant et la bobine ne sont pas en contact. Un arbre relie l'aimant à la roue motrice de la dynamo, lorsque la roue motrice tourne, l'aimant en fait autant. Le bobinage du rotor est divisé en plusieurs sections raccordées aux lames du collecteur sur lesquelles frottent les balais pour recueillir les courants induits. Rôle de collecteur : Il joue le rôle de redresseur et fait en sorte qu’à chaque changement de sens du courant dans une spire, il y a en même temps changement de lame de collecteur sous un même balai. Le courant dans le circuit extérieur garde le même sens et il s’agit bien de courant continu. 2-5-3-Principe de fonctionnement : La dynamo contient un aimant qui produit un champ magnétique permanent. Le mouvement de l’aimant crée un courant induit qui parcourt le conducteur, la bobine de fil. Plus le mouvement de l’aimant augmente, plus le champ magnétique est amplifié plus le courant induit augmente Donc pour créer un courant électrique, il faut produire un champ magnétique fort. Regarder les deux schémas de principes ci-dessous : 27 Fig2.5schéma de principe d'une dynamo Les pôles Nord et Sud produisent le flux inducteur. Le rotor est un anneau de fer doux qui canalise le flux : une moitié dans la partie supérieure de l’anneau, une moitié dans la partie inférieure. (fig.2.6) Fig2.6 vue schématique de la dynamo 2-5-4Autre type de la dynamo génératrice de bicyclette : Qu’y a-t-il dans une génératrice de bicyclette pour produire de l’électricité ? L'aimant en forme de roue porte à sa périphérie une succession de pôles Nord et Sud. Il tourne devant un bobinage de fil électrique enroulé sur une armature en fer. La variation de magnétisme entrant dans la bobine provoque l'apparition de courant électrique dans le fil. 28 2-5-5 Etude de la dynamo : Pour trouver la valeur de la tension induit dans la dynamo et déterminer les sens du courant dans les spires de l’induit en fonction de leur position, nous allons considères une spire réaccordée à un collecteur deux lames et effectue un tour complet de la dynamo. Etude du premier quart de tour : La figure (03) montre une spire qui se trouve au départ dans la position 1. Le flux dans cette spire est nul𝜑 = 0. Lorsque cette spire tourne dans le sens de rotation choisi, elle passe par les positions 2 et 3. En 3, le flux dans celle-ci vaut alors 𝜑/ 2. (fig2.7) Fig2.7 premier quart de tour On constate que dans ce premier quart de tour, le courant vient de l’intérieur de l’anneau pour passer à l’extérieur. Etude du deuxième quart de tour. : Dans le deuxième quart de tour, la spire passe de la position 3 à la position 5 en passant par 4. Le flux était maximum en 3 pour devenir nul en 5. Il y a donc dans cette zone une diminution de flux. Qui dit diminution dit variation de flux. Comme dans le premier quart de tour, toute variation flux engendre une f.é.m. dans la spire. Comme le circuit est toujours fermé, cette f.é.m. induite va produire un courant induit qui produit à son tour un flux 𝜑 opposé à la diminution du flux principal en vertu de la loi de LENZ. La règle du tire-bouchon appliquée au sens de 𝜑 donne le sens du courant induit dans la spire (position 4).voir figure (Fig2.8) 29 Fig2.8 deuxième quart de tour Etude du troisième quart de tour. Dans le troisième quart de tour le même fonctionnement que celui effectué dans les deux quarts de tour précédents peut être fait. En position 5, le flux dans la spire est nul. En position 7, le flux est maximum, mais il pénètre par l’autre face de la spire. En valeur absolue, il s’agit d’une augmentation de flux. Les mêmes règles appliquées à la spire qui se trouve en position 6 montrent que le sens du courant induit passe de l’extérieur de cette spire vers l’intérieur. Donc Il n’y a pas eu d’inversion du sens du courant dans la spire. Donc le courant toujours les même sens dans le circuit extérieur.(fig2.9) Fig2.9 troisième quart de tour Etude du quatrième quart de tour. : On dirait que toujours la même spire qui se déplace de la position 7 à la position1 en passant par 8. Le même fonctionnement que celui fait dans les trois premiers quarts de tour Nous montrons que cette fois le courant induit passe de l’extérieur de la spire vers l’intérieur. (fig.2.10) 30 Fig2.10 quatrième quart de tour En valeur absolue et pour un tour complet d’une spire, La variation de flux est : 𝑑𝜑 la durée d’un tour est :dt= = 1 𝑛 4𝜑 2 sec En appliquant la loi de Faraday pour un spire : e= 𝑑𝜑 :𝑑𝑡 4𝜑 2 ⇒ e= 1 𝑛 Nous allons : 𝑁 𝑁 2 soit encore : e= 2 =2𝜑𝑛 spires en série qui contribuent à la production de tension 𝜑𝑛. ⇒ 𝐸 = 𝑛𝜑𝑁, . E =2 4𝜑𝑛 2 c’est la formule générale de la FEM Donc : E : tension maximum N : nombre de conducteurs du rotor ce nombre de conducteurs utiles est donc égal au nombre de spires. n: vitesse de rotation en tr/s 𝜑: lafluxdanslaspire Remarques : - La dynamo est une machine réversible ; lorsqu’elle est entraînée mécaniquement elle est génératrice, mais elle devient moteur lorsqu’elle est alimentée par une source de courant continu. 31 32 Leur fonctionnement est basé sur l’obtention d’un effort mécanique par action d’un champ magnétique sur un circuit électrique traversé par un courant fourni par une source extérieure laquelle peut aussi produire éventuellement le champ magnétique. Selon que le courant électrique fourni par la source extérieure est continu ou alternatif, la machine sera appelée moteur à courant continu ou moteur à courant alternati (synchrone ou asynchrone). 3.1. Intérêt des moteurs électriques Les moteurs électriques ont sur les moteurs thermiques (à essence, gasoil ou gaz) de nombreux avantages : - ils sont moins polluants et moins bruyants ; - ils démarrent seuls et facilement ; - ils ont souvent un fort couple moteur à faible vitesse et même à l’arrêt. Les qualités qui font la supériorité du moteur électrique sur le moteur thermique sont : - la facilité d’emploi dans le cas de démarrages fréquents ; - la régularité du couple utile ; - la possibilité d’inversion du sens de rotation sans intervention de dispositifs mécaniques annexes (comme les engrenages). Ces qualités sont encore accentuées aujourd’hui, grâce à l’utilisation de l’électronique de puissance. 33 Les moteur a courant continu 3.2. Les moteur a courant continu : Les moteurs à courant continu utilisés pour l’entraînement à vitesse variable des machines, On peut miniaturiser, ils s’imposent dans les très faibles puissances et les faibles tensions. Ils se prêtent également fort bien, jusqu’à des puissances importantes (plusieurs mégawatts), à la variation de vitesse avec des technologies électroniques simples et peu onéreuses pour des performances élevées Leurs caractéristiques permettent une régulation précise du couple, en moteur ou en générateur. La vitesse de rotation nominale, indépendante de la fréquence du réseau, est aisément adaptable par construction à toutes les applications. Ils sont en revanche moins robustes que les moteurs asynchrones et beaucoup plus chers, tant en coût matériel qu’en maintenance, car ils nécessitent un entretien régulier du collecteur et des balais. 3.2.1 Description : Un moteur à courant continu est composé des éléments suivants : Une partie fixe (le stator) et une partie tournante (le rotor) séparées par un entrefer. Le stator et le rotor sont constitués par un assemblage de tôles pour limiter les pertes par courants de Foucault et par hystérésis. - le circuit de l’inducteur et le circuit de l’induit qui est les sources de champ magnétique. - d’un collecteur qui, associé aux balais, permet de relier le circuit électrique de l’induit à un circuit électrique extérieur à la machine. Fig. 3.1 : Schéma représenter les constitutions de moteur a courant continu 34 L’inducteur ou stator : C’est un élément du circuit magnétique immobile sur lequel un enroulement est bobiné, afin de produire un champ magnétique. L’électro-aimant ainsi réalisé comporte une cavité cylindrique entre ses pôles. Le bobinage de stator peut être remplacé par des aimants permanents. Cette disposition est générale sur les moteurs de petite puissance. L’induit ou rotor : C’est un cylindre en tôles magnétiques isolées entre elles et perpendiculaires à l’axe du cylindre. L’induit est mobile en rotation autour de son axe et est séparé de l’inducteur par un entrefer. A sa périphérie, des conducteurs sont régulièrement répartis. Le collecteur et les balais : Collecteur est solidaire de l’induit. Les balais (ou charbons) sont fixes, ils frottent sur collecteur et ainsi alimentent les conducteurs de l’induit. 3.2.2 Principe de fonctionnement : a) Couple électromagnétique : Lorsqu’on alimente l’inducteur par une source de tension continue, il crée un champ magnétique (flux d’excitation) dans l’entrefer, dirigé suivant les rayons de l’induit. Ce champ magnétique “rentre” dans l’induit du côté du pôle Nord de l’inducteur et “sort” de l’induit du côté du pôle Sud de l’inducteur. Quand l’induit est alimenté, ses conducteurs situés sous un même pôle inducteur (d’un même côté des balais) sont parcourus par des courants de même sens et sont donc, d’après la loi de Laplace telle que : F = B.I.l. Soumis à une force. Les conducteurs situés sous l’autre pôle sont soumis à une force de même intensité et de sens opposé. Les deux forces créent un couple qui fait tourner l’induit du moteur (Fig. 3.2). Le couple électromagnétique d’intensité T = 2.r.F. (r : rayon du rotor) On a donc : T = 2.r.F = 2.r.B.I.l = S.B.I = Φ.I Remarque : On montre que le moment du couple électromagnétique total TEM exercé sur l’induit vaut : TEM = K.Φ.I TEM en (N.m) K : constante du moteur qui ne dépend que de sa constitution (nombre total de P conducteurs N) on montre que : 𝑘 = 2π.a . N Avec p nombre de paires de pôles et a nombre de paires de voies d’enroulement. Φ : flux créé par un pôle inducteur, en webers (Wb) I : intensité du courant dans chaque conducteur de l’induit, en ampères (A) 35 Fig. 3.2 : Production d’un couple dans un moteur à courant continu b) Force électromotrice induite : Lorsque l’induit du moteur est alimenté sous une tension continue ou redressée U et que le rotor est en rotation, il se produit une force contre-électromotrice E dont la valeur est E = U – RI U : tension d'induit - R : résistance d'induit I : courant d'induit RI : représente la chute de tension ohmique dans l’induit. La force contre-électromotrice E est liée à la vitesse et à l’excitation par la relation: E = k ω φ Dans laquelle : - k : est une constante propre au moteur. - w : la vitesse angulaire. - φ : le flux. Cette relation montre qu’à excitation constante la force contre-électromotrice E, proportionnelle ω, est une image de la vitesse. - Le couple est lié au flux inducteur et au courant dans l’induit par la relation : C = k φ I En réduisant le flux, le couple diminue. Deux méthodes permettent de faire croître la vitesse : - soit augmenter la force contre-électromotrice E, donc la tension d’alimentation à excitation constante : c’est le fonctionnement dit “à couple constant”, 36 - soit diminuer le flux d’excitation, donc le courant d’excitation, en maintenant la tension d’alimentation constante : c’est le fonctionnement dit en régime “défluxé” ou “à puissance constante”. Ce fonctionnement impose que le couple soit décroissant avec l’augmentation de vitesse. c) Réversibilité du moteur à courant continu : Si le rotor du moteur à courant continu est entraîné par un autre système et que l’inducteur est alimenté, la loi de Faraday implique qu’une f.é.m. induite apparaît aux bornes de l’induit : On peut brancher un récepteur et recueillir de l’énergie électrique. Il y a transformation d’énergie mécanique (du système d’entraînement) en énergie électrique : c’est un fonctionnement en génératrice, comme au fonctionnement d’une dynamo de vélo. Remarque : - en moteur : I > 0 Pe = UI > 0 E < U - en génératrice : I < 0 Pe = UI < 0 U < E 3.2.3 Différents types de moteurs à courant : a. moteur à excitation parallèle (séparée ou shunt) : Les bobinages, induit et inducteur, sont connectés en parallèle ou alimentés par deux sources de tensions différentes pour des questions d’adaptation aux caractéristiques de la machine (ex. tension d’induit 400 volts et tension d’inducteur 180 volts). L’inversion du sens de rotation s’obtient par l’inversion de l’un ou de l’autre des enroulements, en général par inversion de la tension d’induit en raison des constantes de temps beaucoup plus réduites. La majorité des variateurs bidirectionnels pour moteur à courant continu travaillent de la sorte. (fig3.3 a et c) b. moteur à excitation série : Ce moteur est de construction semblable. Le bobinage inducteur est connecté en série avec le bobinage induit. L’inversion du sens de rotation est obtenue indifféremment par inversion des polarités de l’induit ou de l’inducteur. . Ce type de moteur présente un très fort couple au démarrage, Ce moteur est essentiellement utilisé en traction, en particulier sur les chariots alimentés par batteries d’accumulateurs, et traction ferroviaire. (fig3.3 b) 37 c. moteur série parallèle (composée ou compound) : Cette technologie permet de réunir les qualités du moteur à excitation série et du moteur à excitation parallèle. Ce moteur comporte deux enroulements. L’un est en parallèle avec l’induit (enroulement shunt) ou est réalisé sous la forme d’un enroulement d’excitation séparé. Il est parcouru par un faible courant au regard du courant de travail. L’autre est en série. Le moteur est à flux additif si les ampères-tours des deux enroulements ajoutent leurs effets. Il est à flux soustractif dans le cas contraire, mais ce mode de montage est très rarement utilisé car il conduit à un fonctionnement instable pour les fortes charges. (fig3.3 d) Fig3.3 Schémas des différents types de moteurs à courant continu 3.2.4 Puissances mises en jeu : 1) Puissance absorbée : Le moteur absorbe la puissance électrique : PA = P induit + P inducteur = U.I + UE.IE 2) Puissance et couple électromagnétiques : De l’équation de l’induit : U = E + R.I on déduit l’équation des puissances de l’induit : U.I = E.I + R.I2 PAI = U.I est la puissance absorbée par l’induit PJI = R.I2 Est la puissance dissipée par effet joule dans la résistance de l’induit ; • PEM = E.I est la puissance électromagnétique que l’induit transmet au rotor par l’action du couple électromagnétique TEM. 38 Des équations fondamentales du moteur : E = KΦΩ et TEM = KΦI, on déduit que : PEM = E.I = TEM.Ω 3) Puissances perdues : Lors de la transformation d’énergie, une partie de la puissance absorbée est perdue sous forme de chaleur : pertes joules : PJ = PJI + PJE = R.I2 + RE.IE2= R.I2 + UE.IE pertes mécaniques (frottements, ventilation) : PMECA pertes fer (courants induits dans le circuit magnétique et pertes dues au phénomène d’hystérésis) : PFER On appelle pertes collectives PC, la somme des pertes mécaniques et des pertes fer : PC = PMECA + PFER Propriété : lorsque le moteur fonctionne à flux constant, les pertes collectives sont proportionnelles à la vitesse de rotation : PC = a.Ω avec a = constante. On définit le moment du couple de pertes TP par la relation : TP= Pc Ω Conséquence : A flux constant, le moment du couple de perte TP est une constante du moteur. 4) Puissance utile C’est la puissance mécanique PU fournie à l’utilisateur. Elle correspond au moment du couple utile tel que TU= Pu Ω 5) Rendement Le rendement d’un moteur à courant continu varie de 75 à 95 %. Il est meilleur que le moteur est de forte puissance. Méthode directe : 𝜂= Pu Pa Méthode des pertes séparées : Pu 𝜂 = Pu+Pje+Pji+Pc = 39 Pa−Pje−Pji−Pc Pa 3.2.5 Application : L’emploi des moteurs à courant continu est sans équivalent dans le domaine des très faibles puissances (jouets, perceuses miniatures,...). Il est en particulier presque obligatoire dans les équipements des automobiles (essuie-glaces, ventilateurs, lève-vitres, démarreurs,...). Dans le domaine industriel, on trouve des moteurs à courant continu de puissance moyenne dans les applications à vitesse variable. En ce qui concerne les fortes puissances, les limitations technologiques liées à l’alimentation en puissance électrique du rotor font qu’ils sont maintenant supplantés par les moteurs synchrones auto-pilotés qui possèdent globalement les mêmes caractéristiques mécaniques. 3.2.6 Avantages et inconvénients : L'avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation ; les variateurs de vitesse, voire leur raccordement direct à la source d'énergie (batteries d'accumulateur, piles, etc.). Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou « charbons » et le collecteur rotatif. Ainsi que le collecteur lui même comme indiqué plus haut et la complexité de sa réalisation. De plus il faut signaler que : plus la vitesse de rotation est élevée, plus la pression des balais doit augmenter pour rester en contact avec le collecteur donc plus le frottement est important ; aux vitesses élevées les balais doivent donc être remplacés très régulièrement ; le collecteur imposant des ruptures de contact provoque des arcs, qui usent rapidement le commutateur et génèrent des parasites dans le circuit d'alimentation, ainsi que par rayonnement électromagnétique. Un autre problème limite les vitesses d'utilisation élevées de ces moteurs lorsque le rotor est bobiné, c'est le phénomène de « défrettage », la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage). Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs « disques » ou les moteurs « cloches », qui néanmoins possèdent toujours des balais. Les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur brushless, aussi dénommé « moteur à courant continu sans balais », 40 MOTEUR ASYNCHRONE 3.3. MOTEUR ASYNCHRONE : 3.3.1. Introduction : Plus de la moitié de l’énergie électrique produite dans les pays industrialisés est transformée en énergie mécanique par des moteurs. Les moteurs asynchrones produisent autour de 70% de cette énergie mécanique et absorbent de 40 à 50% de l’énergie électrique. Les performances requises de ces machines sont de plus en plus élevées. Elles doivent allier Souplesse, précision et fiabilité aux impératifs d’économie d’énergie. Les moteur asynchrones se distinguent par leur simplicité de construction et leur grande robustesse, leur avantagées en font des actionneurs électrique très répandus dans des domaines très divers.il s’agite de moteurs constitues d’un stator et d’un rotor . L’alimentation de ces moteurs peut se faire de différentes façons : -alimentation triphasée -alimentation monophasée Le moteur asynchrone est un moteur a champ tournant, possédant un certain nombre de similitudes avec le moteur synchrone, mais dans lequel le rotor a une fréquence légèrement inferieure a celle du champ tournant. 3.3.2. Principe et constitution du moteur asynchrone : 3.3.2.1 Constitution : le moteur asynchrone est constitué d’une partie fixe le stator et d’une partie rotative : le stator : est constitué d’une carcasse comprenant les trois identiques répartis sur un circuit magnétique feuillète ; ces enroulements sont constitués de conducteurs logés dans les encoches du circuit magnétique, ils sont alimentés par le réseau via la plaques à Barnes. Le rôle du stator est de crée le champ tournant et de canaliser le flux magnétique Le rotor ; possède comme pour le stator un ensemble de tôles ferromagnétiques isolées entre elle pour former le circuit magnétique, le rotor est constitué d’un paquet de tôles feuilleté à encoches ; ces dernières sont remplier par des barres réunies de chaque cote du rotor par un anneau. Cette structure est dit à cage d’écureuil cette cage peut être faite soit en alliage d’aluminium injecté, soit en alliage de cuivre brasé. Pour la partie électrique on rencontre deux types de rotor : -Rotor en court-circuit ou à cage d'écureuil Dans les encoches disposées vers l'extérieur du cylindre et sensiblement parallèles à son axe sont placés des barres conductrices. (en aluminium pour le poids et sa résistance). -Rotor bobiné ou à bagues Le bobinage est formé de trois enroulements couplés en étoile et relié à la Plaques à bornes (du stator) par une liaison électrique bagues + balais. Le rôle du rotor est de canaliser le flux venant du stator et de créer le champ tournant rotoriques. 41 Fig3.4.schéma de constituions de MAS 3.3.2.2. Principe de fonctionnement : Le principe des moteurs à courants alternatifs réside dans l’utilisation d’un champ magnétique tournant produit par des tensions alternatives. La circulation d’un courant dans une bobine crée un champ magnétique B , ce champ est dans l’axe de la bobine sa direction et son intensité sont fonction du courant I , c’est une grandeur vectorielle . Si le courant alternatif, le champ magnétique varie en sens et en direction à la même fréquence que le courant. Si deux bobines sont placées à proximité l’une de l’autre, le champ magnétique résultant est la somme vectorielle des deux autres. 3.3.3 Moteur asynchrone triphasé : 3.3.3.1 Principe de moteur asynchrone triphasé : Dans le cas du moteur triphasé que repose sur la création d’un champ tournant ;, si on alimente trois bobines identiques placées à120° par une tension alternative triphasée : - Une aiguille aimantée, placée au centre, est entraînée en rotation, il y a bien création d'un champ tournant. - Un disque métallique en aluminium ou en cuivre est entraîné dans le même sens que l'aiguille aimantée . - Si l'on inverse deux des trois fils de l'alimentation triphasée, l'aiguille, ou le disque tourne en sens inverse . Les trois champs alternatifs produits par les bobines alimentes en courant triphasé, se compose pour former le champ tournante le champ magnétique tournant. Créer dans le circuit du rotor des courants induits. ceux-ci, d'après la loi de LENZ s'opposent à la cause qui leur a donné naissance et provoquent une force magnétomotrice qui entraîne le rotor en rotation. 42 Fig3.5.schéma de principe moteur asynchrone triphasé 3.3.3.2.Démarrage de moteur asynchrone triphasé : a) Démarrage direct : C'est le mode de démarrage le plus simple. , le moteur se compose comme un transformateur dont le secondaire (rotor) est presque en court-circuit, d'où la pointe de courant au démarrage. les avantages qu'il présente : démarrage rapide, coût faible.il convient dans les cas ou :la puissance faible du moteur par rapport à la puissance de réseau, lé couple de démarrage doit être élevé, temps de démarrage 2à3sec ce mode utilise par petite machine démarrant à pleine charge b) Démarrage étoile triangle : Ce mode de démarrage n'est utilisable si les deux extrémités de chaque enroulement sont accessibles. De plus, il faut que le moteur soit compatible avec un couplage final triangle. Lors du couplage étoile, chaque enroulement est alimenté sous une tension 3 fois plus faible, de ce fait, le courant et le couple sont divisé par 3. on passe au couplage triangle. Le passage du couplage étoile au couplage triangle n'étant pas Instantané, le courant est coupé pendant 30 à 50 ms environ. Cette coupure du courant provoque une démagnétisation du circuit magnétique. Lors de la fermeture du contacteur triangle, temps de démarrage 3à7 sec, l’utilisations pour : ventilateurs et pompes centrifuges de petite puissance. , c) .Démarrage statorique à résistance : Le principe consiste à démarrer le moteur en direct, mais dans un premier temps par des résistances électriques, limitant ainsi le courant de démarrage. Le moteur démarrant sous tension réduite, Ce dernier démarreur peut être associé au dispositif de démarrage étoile-triangle. On démarre en étoile, puis on passe en couplage triangle avec les résistances, temps de démarrage 7à12sec. Ce mode de démarrage est utilise pour les machines à fort inertie. d) Démarrage par autotransformateur : Dans ce mode de démarrage, on effectue le même type que le démarrage étoile triangle, Dans un premier temps, on démarre le moteur sur un autotransformateur couple en étoile. De ce fait, le moteur est alimenté sous une tension réduite réglable. Ce mode de démarrage est surtout utilisé pour les fortes puissances (> 100 kW) et conduit à une installation relativement élevé, ce mode de démarrage est utilise pour les Machine de forte puissance ou de forte inertie, . 43 3.3.4 Moteur asynchrone monophasé : 3.3.4.1 .Constitution : Le moteur monophasé est de constitution analogue au moteur triphasé, mais les enroulements du stator n'occupent que les 2/3 des encoches. Moteur monophasé asynchrone par exemple : Machine à laver, réfrigérateurs, aspirateurs, moulin à café, séchoirs, tous ces Appareils nécessitent l'emploi de moteurs inférieurs à 1 kW (moteurs fractionnaires). Étant donné que la plupart des installations électriques existent en monophasé, on constate Un développement important des moteurs de petites puissances alimentées en monophasé. Ce sont des moteurs asynchrones monophasés (Induction) ou moteurs universels (Moteur à collecteur, moteur à courant continu). 3.3.4.2 Principe de fonctionnement : On démontre (Théorème de LEBLANC) que le champ magnétique produit par une Bobine alimentée en courant alternatif monophasé se décompose en deux champs tournants en Sens inverse. Si l'on place un disque en face de la bobine, il reste immobile, étant sollicité par les deux champs tournants. Le couple moteur au repos est nul. Si on lance le disque, il continue à tourner, il y a production du couple moteur. Fig3.6 : schéma de principe moteur asynchrone monophasé 44 3.3.4.3 Démarrage de moteur asynchrone monophasé : Le moteur asynchrone monophasé nécessite un système de démarrage auxiliaire. le principe consiste en la transformation du moteur monophasé en moteur diphasé. Cette transformation S’obtient en ajoutant un enroulement auxiliaire, dit de démarrage. Au moment du démarrage, Le moteur fonctionne en diphasé, alimentant un enroulement auxiliaire parcouru par Un courant déphasé par rapport au courant dans l'enroulement principal. a) Démarrage par bagues de déphasage : Ces bagues en cuivre entourent une partie des pièces polaires. Le courant induit en bague creé un champ magnétique décalé par rapport au champ principal. qui suffit à entraîner le moteur en rotation. b) Démarrage par condensateur : À la mise sous tension, la phase auxiliaire en série avec le condensateur est Alimentée. Cela permet un déphasage entre les courants de l'ordre de 90°. Lorsque le moteur atteint 70% de sa vitesse un contact centrifuge coupe le circuit de la phase auxiliaire. L'inversion du sens de rotation s'effectue en inversant les fils alimentant le circuit de la phase auxiliaire. Les condensateurs de démarrage ont une valeur plus importante de l'ordre de35 à 40 μF par ampère absorbé par le moteur. 3.3.4.4 Caractéristique du moteur asynchrone monophasée : -Puissance inferieur à1kw, maxi 5kw. -Vitesse entre 1500 et 3000tr/min -Rendement ; comprise en 45% et 70% 3.3.5 Relations : 3.3.5.1.Puissance nominale (Pu ou Pn) : La puissance nominale est la puissance mécanique disponible sur l'arbre moteur à sa vitesse nominale; elle s'exprime en Watt [W], kilowatt [kW], ou mégawatt [MW], on l'appelle puissance utile. La puissance d'un moteur électrique est liée à son dimensionnement en relation avec la vitesse à obtenir. Pu =Pn = Cn.Ωn Pu : puissance utile [W] Pn : puissance nominale [W] Cn : Couple nominale [Nm] Ωn : Fréquence de rotation nominale [rad.𝑠 −1 ] 3.3.5.2.Puissance absorbée (Pa) : C'est la puissance électrique que demande le moteur pour pouvoir fonctionner. En triphasé : Pa =3.V.I.cos ϕ Pa = √3.U.I. cos ϕ Pa : puissance active absorbée [W] V : tension entre phase et neutre [V] I : Courant en ligne [A] ϕ : déphasage entre V et I [rad] ou [deg] 45 En monophasé : Pa =V.I.cos ϕ Pa : puissance active absorbée [W] V : tension entre phase et neutre [V] I : Courant en ligne [A] ϕ : déphasage entre V et I [rad] ou [deg] 3.3.5.3.La fréquence de rotation angulaire (Ω), la vitesse de rotation angulaire (n) : 𝝅.𝐧 Ω= 𝟑𝟎 n : Vitesse de rotation Ω : Fréquence de rotation [tr.min−1] [rad. 𝑠 −1 ] 3.3.5.4Vitesse de synchronisme (ns), fréquence de pulsation (ωs) : 2𝜋f p 𝜋. ns 𝜔𝑠 = 30 ωs : fréquence de pulsation f : Fréquence du réseau p : Nombre de paire de pôles ns : vitesse de synchronisme 𝜔𝑠 = [rad.s-1] [Hz] [tr.min-1] 3.3.5.5. Vitesse nominale (nn) et glissement (g) : La vitesse nominale est la vitesse de l'arbre (rotor) à la puissance nominale. La vitesse du rotor est donc inférieur à celle du champ tournant ; l'écart entre ces deux vitesse est caractérisé par le glissement. ns−nn g = ns g : glissement nn : vitesse de rotation nominale [tr.min-1] ns : vitesse de synchronisme [tr.min-1] Le glissement n'a pas d'unité, on l'exprime le plus souvent en % Facteur de puissance (cos ϕ) Le cos ϕ évolue en fonction de la charge du moteur ; il peut varier de 0,2 lorsque le moteur est à vide jusqu'à 0,9 en pleine charge. 46 3.3.6.Bilan des puissances : La machine asynchrone est le siège de pertes par effet joule au rotor et au stator. P𝑗𝑠= 3. r𝑠 . 𝐼𝑠2 Pjs : Perte joule au stator I𝑠 : Courant dans une bobine du stator pjr = g.Ptr pjr : Perte joule au rotor Ptr : c’est la puissance transmise au rotor Perte fer au rotor ≈0 𝑃 Le rendement est 𝑛 = pu a Fig3.7: Bilan de puissance 47 Moteur synchrone 3.4 Moteur synchrone : Comme les autres machines électriques le moteur synchrone se compose de deux parties, partie mobile qui s’appelé le rotor et l’autre partie fixe s’appelé stator 3.4.1 Définition du moteur synchrone : Ce moteur se caractérise par une vitesse de rotation constante, indépendante de la charge, mais liée à la fréquence du réseau d’alimentation. Le moteur synchrone conserve sa vitesse de rotation jusqu’à ce qu’il soit en surcharge. Lorsqu’il est surchargé, le moteur décroche ; c’est-à-dire, qu’il s’arrête et se retrouve dans un mouvement oscillatoire (vibration). 3.4.2Constitution : Son stator est identique a celui d’un moteur asynchrone ou a celui d’un alternateur à pole lisse pour les fortes puissances. Son rotor est le même que les alternateurs à pôles lisses, toutefois pour les faibles puissances, il est constitué d’un aimant permanent. La propriété essentielle de ces moteurs est d’avoir une vitesse constante et ce jusqu’au couple de décrochage 3.4.3Principe de fonctionnement (par expérience) : 3 bobines identiques sont disposées de sorte à créer un champ tournant lorsqu’elles sont alimentées par un courant triphasé. Sur l’axe, on place une aiguille aimantée. Elle reste immobile. Lançon la dans le même sens que le champ tournant, lorsque sa vitesse initiale atteint celle du champ tournant, elle « s’accroche » et continue de tourner. Lancer dans l’autre sens, sa rotation s'arrête. Un alternateur triphasé est donc réversible, mais un couple moteur ne peut se produire que si le rotor tourne a la même vitesse que le champ tournant, c’est pourquoi on le nomme moteur synchrone Fig3.8 : 3 bobines et aiguille aimantée Principe de fonctionnement (par expérience) 48 3.4.4 Moteur synchrone à aimant : Le stator reste identique. Le rotor où roue polaire possède le même nombre de pole que le stator produit le flux inducteur. Pour éviter tous contact frottant, on place des aimants permanents de type terre rare en forme de tuile sur une jante en fer doux ou sectoriellement. Ce type de moteur est généralement associé à un capteur de position et de vitesse monté sur l’arbre et a un onduleur triphasé pour alimenter les enroulements du stator, on parle alors de moteurs synchrone autopiloté, l’ensemble se comporte alors comme un moteur a courant continu sans balais. 3.4.4.1 Moteur à rotor sans pièce polaire : Les aimants permanents sont disposés sur la périphérie du rotor (figure 4) pour générer un champ magnétique à répartition spatiale sensiblement sinusoïdale dans l’entrefer. Ces aimants disposés en tuiles peuvent être collés, vissés et éventuellement enserrés dans une frette amagnétique. Fig3.9 : Structure d’un moteur synchrone à rotor sans pièce polaire 3.4.4.2 Moteur à rotor avec pièces polaires : _ Dans un mode de réalisation, les aimants permanents ne sont pas orientés radialement mais des pièces polaires collectent le flux généré par ces aimants et concentrent les lignes d’induction pour fournir dans l’entrefer une induction magnétique supérieure (par exemple, de 3 à 5 fois supérieure) à celle normalement générée avec une structure sans pièce polaire. On obtient, ainsi, une augmentation de la densité surfacique d’effort et, par conséquent, du couple massique. On peut, par exemple, prévoir une disposition azimutale des aimants permanents alternés entre lesquels sont disposés des pièces polaires. Il existe également des configurations dans lesquelles les aimants permanents alternés sont disposés radialement et munis à leurs extrémités de pièces polaires. Fig3.10: Structure d’un moteur synchrone à rotor avec pièces polaires 49 3.4.4.3 Moteur à rotor discoïde : Dans ce type de moteur, développé par Portes cap, le rotor discoïde présente des secteurs espacés et aimantés alternativement (figure 6 ) ; le stator est constitué d’un ensemble de circuits magnétiques en forme de C (par exemple deux), autour desquels sont disposés des enroulements. On obtient ainsi un moteur synchrone diphasé. Remarque : Ces moteurs sont principalement utilisés pour le positionnement incrémental. Ils présentent une accélération angulaire très élevée, par exemple de l’ordre de 150 000 rad · pour un couple nominal de l’ordre de 10 mN · m. Fig3.11 : Structure d’un moteur synchrone diphasé à rotor discoïde 3.4.4.5 Moteur à griffes : Un moteur à griffes comprend un stator réalisé à partir d’un assemblage de tôles ferromagnétiques préalablement découpées et/ou embouties pour réaliser une succession de griffes faisant fonction de pôles statoriques (figure 7 ), un rotor comprenant un ensemble d’aimants alternés et des bobinages globaux de type solénoïdal. La carcasse du moteur fait généralement fonction de culasse magnétique. Fig3.12 : Structure d’un moteur synchrone à griffes 50 3.4.5 Moteurs à réluctance variable : Le principe de conversion électromécanique par variation de réluctance, établi et mis en œuvre dès les tout premiers débuts de l’électrotechnique, conduit à des structures de moteurs et d’actionneurs simples, particulièrement robustes et exploitables en environnement difficile 3.4.5.1 Moteur à double saillance : Cette structure (figure 8) connaît actuellement un développement important. Elle met en œuvre un champ statorique pulsé, et non tournant, et peut aussi bien conduire à des moteurs pas à pas qu’à des moteurs d’entraînement à vitesse variable. Si les avantages identifiés pour cette structure sont nombreux (notamment robustesse et simplicité d’alimentation), certains inconvénients, tels que, notamment, la nature pulsée du couple électromagnétique, un bruit acoustique significatif et un facteur de puissance généralement médiocre (de 0,1 à 0,6) limitent encore son développement et suscitent une activité de recherche importante pour en supprimer ou limiter les effets. À titre d’exemple, un petit moteur à double saillance, de type 6/4, comprend un stator constitué d’un empilement de tôles ferromagnétiques découpées ou estampées, pour fournir un ensemble de 6 pôles statoriques saillants, autour de chacun desquels est inséré un bobinage, et un rotor, comportant 4 pôles saillants réalisé également sous la forme d’un empilement de tôles ferromagnétiques découpées ou estampées. Fig3.13 : Structure d’un moteur à réluctance variable à double saillance 51 3.4.5.2 Moteur à réluctance synchrone : Un moteur à réluctance synchrone (figure 9) comprend un rotor de structure très simple, par exemple un rotor bipolaire, qui peut être réalisé à partir d’une pièce massive ou d’un empilement de tôles, et un stator bobiné de structure classique, conçu pour générer un champ tournant. Ce stator bobiné peut, d’ailleurs, être un stator conçu initialement pour un moteur synchrone ou asynchrone Fig3.14 : Structure d’un moteur à réluctance synchrone 3.4.5.3 Moteurs hybrides : Dans des structures hybrides, l’ajout d’aimants permanents au stator comme au rotor d’un moteur à réluctance variable contribue à l’obtention d’un facteur de puissance supérieur. Ces structures, qui sont très nombreuses, sont cependant de réalisation plus complexe que celle d’un moteur synchrone à aimants alternés ou que celle d’un moteur à réluctance variable. -Dans la structure particulière de la (figure 10), le stator comprend un bobinage et deux couronnes statoriques (S1, S2), reliées entre elles par une carcasse pouvant faire fonction de culasse magnétique. Le rotor est constitué d’une partie centrale cylindrique comprenant un aimant permanent axial et, à chaque extrémité de cet aimant, de deux pièces rotoriques (R1, R2) pourvues de dents rotoriques, décalées angulairement et en correspondance respective avec les deux couronnes statoriques. -Parmi les autres structures, on peut citer, par exemple, celle mise en œuvre dans un moteur hybride à double excitation axiale représenté sur la (figure 11) elle permet d’obtenir 200 pas naturels (position d’équilibre) par tour [11]. Ce moteur comprend des aimants permanents axiaux disposés, à la fois, au stator et au rotor qui sont constitués d’un ensemble de modules. Chaque module comprend une partie statorique avec 8 pôles munis, sur leur surface, de petites dents et une partie rotoriques munie également de petites dents qui coopèrent avec les dents statoriques pour créer un effet de réluctance variable. 52 Fig3.15 : Structure d’un moteur hybride à excitation axiale rotoriques Fig3.16 : Structure d’un moteur hybride à double excitation axiale 3.4.5.4 Moteurs à hystérésis : Un moteur synchrone à hystérésis comprend un stator bobiné pour générer dans l’entrefer du moteur un champ tournant et un rotor cylindrique réalisé avec un matériau magnétique présentant une faible rémanence sans pré magnétisation. Ce concept est bien adapté pour des applications à très faible couple nominal. De petits moteurs à hystérésis ont été utilisés dans des gyroscopes mis en œuvre en aéronautique pour indiquer une position de référence dans des équipements de contrôle ; ils ont longtemps été employés pour entraîner à vitesse constante les cabestans de magnétophones, mais ont été supplantés, depuis, par des moteurs synchrones à aimants permanents. 53 3.4.6 Démarrage d’un moteur synchrone : Le moteur synchrone ne possédant un couple non nul qu’a la vitesse de synchronisme, il ne pourra pas démarrer en « moteur synchrone » directement sur le réseau d’alimentation. Solution : - Entraîner la machine en alternateur à vide grâce a un moteur auxiliaire jusqu'à la vitesse de synchronisme. - Alimenter le moteur à fréquence variable (variateur de vitesse). - Démarrer la machine en moteur asynchrone en utilisant la masse de la roue polaire et les conducteurs inducteurs câblés en court circuit pour constituer un rotor de machine asynchrone bobiné 54 3.5 Autre type de moteurs électrique : 3.5.1Moteur universel : Le moteur « universel » est un moteur à courant continu à excitation série (l'inducteur est en série avec l'induit) On peut alimenter ce type de moteur par un courant continu ou par un courant alternatif, c’est pour ca on dit le mot « universel ». Dans ce moteur, l'induit et l'inducteur, branchés en série, sont alimentés par le réseau. Si la polarité de la source électrique change, les pôles magnétiques des inducteurs changent ainsi que le sens du courant dans l'induit, le sens de rotation reste donc inchangé. Lorsque l'on branche un moteur à courant continu sur un réseau alternatif de même tension U, on constate que le courant absorbé, le couple du moteur et son rendement sont bien plus faibles qu'en continu. Pour améliorer le fonctionnement de ce type de moteur en alternatif, il faut : feuilleter le circuit magnétique du stator réduire le nombre de spires du stator afin de diminuer l'inductance augmenter le nombre de spires au rotor pour compenser la perte du couple placer un condensateur en parallèle sur les bornes d'alimentation pour atténuer les parasites Ce type de moteur utilisé pour l’appareillage à une puissance inferieur à 1 KW comme : les appareilles électroménagère (aspirateur, moulin à café, batteur, ...) les outils électroportatifs La vitesse du moteur universel varie fortement selon la charge. 3.5.1.1Principe de fonctionnement : Lorsque les inducteurs sont alimentés, ils créent un champ magnétique dans l'entrefer. Quand l'induit est alimenté, ses conducteurs situés sous un même pôle sont parcourus par des courants de même sens et soumis à une force. Les conducteurs situés sous le pôle opposé sont soumis à une force de même intensité et de sens opposé. Les deux forces créent un couple qui fait tourner l'induit du moteur. 55 Pour inverser le sens de rotation d'un moteur à courant continu il suffit d'inverser les polarités de la tension d'alimentation de l'induit ou des inducteurs. Comme la polarité de l'induit et de l'inducteur dépendent du sens du courant, si celui-ci s'inverse, les pôles de l'induit et de l'inducteur s'inversent aussi, mais les forces résultantes sont toujours dans le même sens. Un moteur universel peut être alimenté par une fem alternative ou continue. 3.5.1.2Utilisation de ce type de moteur : Moteur de faible encombrement, couple important, rendement médiocre, création de parasites 56 3.5.2Moteur pas à pas : 3.5.2.1Définition d'un actionneur pas à pas : Le moteur pas à pas constitue un convertisseur électromécanique destiné à transformer le signal électrique (impulsion ou train d'impulsions de pilotage) en déplacement (angulaire ou linéaire) mécanique. 3.5.2.2 Propriétés et applications : Ce type de moteur fabriqué essentiellement devant deux idées principales : Pour faire un moteur capable de développer un couple important à faible vitesse on a étudié un dispositif capable de convertir des informations de caractère discret Le convertisseur d'énergie à basse vitesse et le transmetteur de l'information sont devenus un moteur pas à pas moderne vers les années 1970, grâce au développement conjugué de l'électronique de puissance et, surtout, grâce à l'apparition de l’électronique numérique à forte intégration. 3.5.2.3 Type principaux de moteurs : Trois types principaux de moteurs seront abordés, les moteurs pas-à-pas réluctants, les moteurs pas-à-pas à aimants permanents, les moteurs pas à pas hybride. A) Moteur pas-à-pas à réluctance variable MRV Les moteurs à reluctance variable (moteurs MRV) doivent leur nom au fait que le circuit magnétique qui les compose s'oppose de façon variable à sa pénétration par un champ magnétique. Ces moteurs sont composés d'un barreau de fer doux et d'un certain nombre de bobines. Lorsqu'on alimente une bobine, elle devient un électroaimant et le barreau de fer cherche naturellement à s'orienter suivant le champ magnétique. On alimente la phase 1, puis la phase 2, puis la phase 3 ... Si on veut changer le sens du moteur, il suffit de changer l'ordre d'alimentation des bobines. Dans la pratique, le barreau de ferrite a plusieurs dents (ici 6). Dès qu'on alimente la phase 2, il y a une rotation de 15° (i.e. 60° - 45° = 15°), puis la phase 3, etc. Donc le moteur tourne de 15° dès qu'on alimente une phase. Il faut 24 impulsions pour faire un tour complet. C'est un moteur 24 pas. 57 Fig3.17 constitution d’un moteur pas à pas Inconvénients : nécessite au moins trois bobinages, pour obtenir un cycle complet, pas de couple résiduel, c’est-à-dire que hors tension, le rotor est libre, ce qui peut être problématique pour ce genre de moteur. La fabrication est assez délicate, les entrefers doivent être très faibles. Avantages du système : peu coûteux, d'une bonne précision. Dans l'exemple, avec seulement 4 enroulements, on obtient 24 pas (on peut facilement obtenir 360 pas). Le sens du courant dans la bobine n'a aucune importance. nb : nombre de bobines au stator 58 B) Moteur à aimants permanents Principe : Ce type de moteur exploite le phénomène d'attraction de deux pôles opposés et la répulsion de deux pôles identiques. Par inversion du sens du courant dans les bobines magnétiques, on provoque une inversion du champ magnétique, ceci doit avoir lieu dans un ordre précis par la commutation des phases pour avoir une rotation par pas entier ou demi pas. On peut commander ce type de moteur : En pas entier excitation normale En pas entier excitation pleine onde (moins de couple) En demi pas C) Moteur pas à pas hybride : Le moteur pas à pas hybride mélange du moteur à aimant permanent et de la machine à réluctance variable. Il est donc à réluctance variable mais avec un rotor à aimants permanents On superposant le principe du moteur à réluctance variable et à aimant permanent on obtient un moteur hybride qui combine les avantages des deux moteurs. Le rotor est constitué de 2 disques dentés décalés mécaniquement. Entre ces deux disques est inséré un aimant permanent. Le nombre de dents du rotor est différent de celui du stator. Lorsqu'on alimente une bobine, le rotor place les dents Nord et Sud de telle façon à ce que le flux traversant le rotor soit maximal. 3.5.2.4 Comparaison des 3 catégories de moteurs pas à pas : Type de moteur Résolution (Nb de pas/tour) Couple moteur Sens de rotation Fréquence de travail Moteur à aimant permanent Moteur à réluctance variable Moteur hybride Moyenne Bonne Elevée Elevé Faible Il dépend : - du sens du courant pour Il dépend uniquement de l'ordre le moteur bipolaire d'alimentation des bobines - L'ordre d'alimentation des bobines Elevé Il dépend : - du sens du courant pour le moteur bipolaire - L'ordre d'alimentation des bobines Faible Grande Grande 59 60 4. transformateur électriques : 4.1 Invention : En 1884 Lucien Gaulard met en service une liaison bouclée de démonstration (133 Hz) alimentée par du courant alternatif sous 2000 volts et allant de Turin à Lanzo et retour (80 km). On finit alors par admettre l'intérêt du transformateur qui permet d'élever la tension délivrée par un alternateur et facilite ainsi le transport de l'énergie électrique par des lignes à haute tension. La reconnaissance de Gaulard interviendra trop tardivement. Le transformateur de Gaulard de 1886 n'a pas grand chose à envier aux transformateurs actuels, son circuit magnétique fermé (le type de 1884 comportait un circuit magnétique ouvert, d'où un bien moyen rendement) est constitué d'une multitude de fils de fer annonçant le circuit feuilleté à tôles isolées.[17] 4.2 Définition : Un transformateur électrique est un convertisseur qui permet de modifier les valeurs de la tension et de l'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative en un système de tension et de courant de valeurs différentes mais de même fréquence et de même forme. Il effectue cette transformation avec un excellent rendement. Il est analogue à un engrenage en mécanique [18] On distingue les transformateurs statiques et les commutatrices. Dans un transformateur statique, l'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du circuit magnétique que constitue la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors magnétiquement couplés. Ceci permet de réaliser un isolement galvanique entre les deux circuits. Dans une commutatrice, l'énergie est transmise de manière mécanique entre une génératrice et un moteur électrique. 4.3 Constitution d’un transformateur monophasée : Il est constitué de deux parties essentielles, le circuit magnétique et les enroulements. a) Le circuit magnétique : Le circuit magnétique d'un transformateur est soumis à un champ magnétique variable au cours du temps. Pour les transformateurs reliés au secteur de distribution, cette fréquence est de 50 ou 60 Hz. Le circuit magnétique est généralement feuilleté pour réduire les pertes, qui dépendent de l'amplitude du signal et de sa fréquence. Pour les transformateurs les plus courants, les tôles empilées ont la forme de E et de I, permettant ainsi de glisser une bobine à l'intérieur des fenêtres du circuit magnétique ainsi constitué. 61 b) Les enroulements : Les enroulements primaire et secondaire sont bobinés au centre, dans le même sens, primaire à l'intérieur et secondaire à l'extérieur. et isolées entre elles par un vernis pour diminuée les pertes 4.4 Fonctionnement du transformateur monophasé : 4.4.1 Principe de fonctionnement : L’un des deux bobinages joue le rôle de primaire, il est alimenté par une tension variable et donne naissance à un flux magnétique variable dans le circuit magnétique. Le circuit magnétique conduit avec le moins de réluctance1 possible les lignes de champ magnétique créées par le primaire dans les spires de l’enroulement secondaire. D’après la loi de Faraday, ce flux magnétique variable induit une force électromotrice dans le deuxième bobinage appelé secondaire du transformateur. [19] Le flux doit être variable pour induire une f.é.m. au secondaire, il faut donc que la tension primaire soit variable. Le transformateur est réversible, chaque bobinage peut jouer le rôle de primaire ou de secondaire. Il est abaisseur ou élévateur de tension. Fig4.1 Transformateur monophasé idéal 62 4.4.2 Pertes fer (courants alternatifs) : a) Pertes fer par hystérésis : La surface du cycle s'exprime en Joule/m3. Elle correspond à un échauffement du matériau dû aux frottements des moments magnétiques, orientés dans une direction pour +Hmax et dans la direction opposée pour -Hmax, c'est-à-dire une demi période plus tard (en courant alternatif). Ainsi la puissance de pertes fer par hystérésis est proportionnelle à : Ph ≈ f V Sh ≈ f V (Bmax) 2 f : la fréquence de l'excitation magnétique V : le volume de fer subissant le cycle Sh : la surface du cycle qu'on admet être proportionnelle à (Bmax) 2 On essaie de diminuer ces pertes en choisissant un matériau de surface Sh la plus faible possible. b) Pertes fer par courants de Foucault : Le fer, ferromagnétique, est conducteur électrique. Si on découpe par la pensée, dans le matériau, un anneau de surface S perpendiculaire à B, cette spire, traversée par un flux Φ = Bmax S cosωt, est le siège d'une f.é.m. de Lenz e = - dΦ/dt qui fait circuler un courant e/r (r résistance de l'anneau) donnant des pertes Joule e2/r = (Bmax S ω sinωt)2/r dont la valeur moyenne est non nulle. Pour l'ensemble du fer la puissance de pertes par courants de Foucault est donnée par : pCF≈ (Bmax) 2 f2 / ρ ρ : est la résistivité du fer utilisé. L'acier au silicium, avec son ρ élevé, minimise ces pertes. L'intensité des courants de Foucault est diminuée en feuilletant le fer en tôles parallèles à B et recouvertes d'un vernis isolant. 4.4.3 Pertes Joule : Pour une machine électrique des pertes par effet Joule dues aux courants électriques dans les enroulements. Elles sont facilement calculables si on connaît la résistance des enroulements (généralement en cuivre). On peut aussi les mesurer lors de l'essai de la machine en courtcircuit. 63 4.4.4 Mesure des pertes: La méthode des pertes séparées consiste à placer le transformateur dans deux états : Un état pour lequel les pertes Joules sont élevées (fort courant) et les pertes magnétiques très faibles (faible tension). La mise en court-circuit du transformateur (essai en courtcircuit) avec une alimentation en tension réduite permet de réaliser ces deux conditions. Les pertes du transformateur sont alors quasiment égales aux pertes Joules. Un état pour lequel les pertes magnétiques sont élevées (forte tension) et ou les pertes joules sont très faibles (faible courant). Le fonctionnement à vide (essai à vide), c’est-àdire sans récepteur relié au secondaire, correspond à ce cas. Les pertes sont alors quasiment égales aux pertes magnétiques. On dit que l'on a deux états qui permettent « une séparation » des pertes d'ou l'expression « méthode des pertes séparées ». Elles ont également l'avantage de permettre la mesure du rendement avec une consommation de puissance réduite, sans faire l'essai en fonctionnement réel. Ceci est intéressant lorsqu'on réalise les tests d'un transformateur de forte puissance et que l'on ne dispose pas dans l'atelier de la puissance nécessaire pour l'alimenter à son régime nominal. Mis à part pour les plates-formes d'essai chez les constructeurs, cette méthode n'a donc pas grand intérêt pour uniquement connaître le rendement car, dans ce contexte, une mesure directe à puissance nominale (normale) est bien souvent suffisante. En revanche, dans le cadre de l'électrotechnique théorique, elle est importante car elle permet de déterminer les éléments permettant de modéliser le transformateur. 4.5 Le transformateur parfait (ou idéal) : 4.5.1 Définition du transformateur parfait (ou idéal) Un transformateur parfait ou idéal on utilisé pour modéliser les transformateur réelle, il comprend les conditions suivantes : – Les pertes dans le fer, c’est à dire les pertes par hystérésis et les courants de Foucault sont nuls. Le noyau est infiniment perméable au champ magnétique et sa réluctance R, grandeur décrivant la résistance d’un circuit magnétique à sa pénétration par un champ magnétique, est nulle. – La résistance des enroulements primaires et secondaires est nulle. – Il n’y a pas de pertes de flux magnétique : tout le flux présent dans le noyau sert à magnétiser l’enroulement secondaire. Du point de vue des grandeurs électriques, cela veut dire que : – Si le secondaire est à vide, et donc si I2 = 0, alors le courant qui traverse le primaire est nul, c’est à dire que I1 = 0 ; 64 – Le secondaire se comporte comme un générateur parfait, de résistance interne nulle, de sorte que la valeur efficace de la tension au secondaire V2 est constante quand le courant au secondaire I2 varie, en valeur efficace, de 0 à sa valeur nominale I2n ; – Le rendement du transformateur est de 𝜂= 1 (100 %). 4.5.2 Expression des f.é.m dans le transformateur parfait: D’après la loi de Faraday, les forces électromotrices E1 et E2 dépendent de la variation du flux magnétique Ǿ selon la relation : E1= - N1 E2= - N2 𝑑Ǿ 𝑑𝑡 𝑑Ǿ 𝑑𝑡 Où N1 et N2 sont respectivement le nombre de spires des enroulements primaire et secondaire. 4.5.3 Equation de la tension dans le cas idéal: Dans le cas idéal, la tension au primaire vérifie la relation : 𝑑Ǿ V1= - E1= N1 Et celle au secondaire vérifie : De fait, à condition que 𝑑Ǿ 𝑑𝑡 𝑑𝑡 V2= - E2= N2 𝑑Ǿ 𝑑𝑡 ≠0, on peut ramener ces deux expressions à : Où m est appelé le rapport de transformation. Si l’on remplace les valeurs temporelles de la 𝑉2 tension par des valeurs efficace, la précédente équation se ramène, dans le cas idéal, à : 𝑉1 = 𝑚 Remarque : le fait que l’on doive avoir fonctionner qu’en régime alternatif. 𝑑Ǿ 𝑑𝑡 ≠0 implique que le transformateur ne peut 4.6 Les différents types de transformateurs : 4.6.1 Transformateur de mesure : Transformateur utilisé pour adapter la gamme et assurer l'isolation par rapport au dispositif mesuré d'un voltmètre ou d'un ampèremètre. 65 4.6.2Transformateur de courant : Ce type de transformateur, appelé aussi transformateur d'intensité, est dédié à l'adaptation des courants mis en jeu dans des circuits différents mais fonctionnellement interdépendants. Un tel transformateur autorise la mesure des courants alternatifs élevés. Il possède une spire au primaire, et plusieurs spires secondaires : le rapport de transformation permet l'usage d'un ampèremètre classique pour mesurer l'intensité au secondaire, image de l'intensité au primaire pouvant atteindre plusieurs kilos ampères (kA). 4.6.3Transformateur d'impédance : Le transformateur est toujours un transformateur d'impédance, mais les électroniciens donnent ce nom aux transformateurs qui ne sont pas utilisés dans des circuits d'alimentation. Le transformateur d'impédance est principalement destiné à adapter l'impédance de sortie d'un amplificateur à sa charge. Exemples : en audio, sortie d'un ampli BF dont la charge est un haut-parleur d'impédance normalisée (8Ω à 1000Hz) ; en réseaux, adaptation d'impédance entre lignes de normes différentes. 4.6.4Transformateur d'isolement : Transformateur tel que m = 1. Utilisé pour assurer une isolation galvanique entre circuits, ou encore adapter le régime de neutre aux besoins de l'installation. 4.6.5 Autotransformateur : Transformateur simplifié à un seul enroulement. Ne permet pas l'isolation galvanique, mais autorise un réglage fin de la tension secondaire par déplacement du curseur servant de connexion de sortie sur l'enroulement. 66 4. 7Transformateur haut fréquence : 4. 7.1-Transformateurs HF : Ce type de transformateur est principalement utilisé dans les circuits électroniques d'émission ou de réception HF : émetteurs TV, émetteurs radio, CB, certains interphones sans fils, récepteurs radio, etc. La photo ci-dessus montre quelques exemples de transformateurs HF utilisés dans des circuits de démodulateurs radio d'ancienne génération. Il existe des transformateurs HF dont la taille est très différente de ceux-ci, puisque pouvant dépasser une hauteur de 2 mètres (utilisation dans des émetteurs ondes courte de très forte puissance par exemple). Dans le même registre, on trouve du transformateur FI (Fréquence intermédiaire) utilisés par exemple dans des étages de changement de fréquence dans des équipements d'émission ou de réception. Le Theremax (une des nombreuses versions de Theremins) exploite aussi de tels transfos pour les oscillateurs "HF" Fig 4.2 type de transformatrices hautes fréquences 4. 7.2-Transformateur d’impulsion : Le transformateur d'impulsions est utilisé pour la commande de thyristors, triac et transistors. Il présente par rapport à l'opto-coupleur, les avantages suivants: fonctionnement possible à fréquence élevée, simplification du montage, possibilité de fournir un courant important, bonne tenue en tension 4.7.2.1-Utilisation : On veut utiliser un transformateur pour transmettre une impulsion rectangulaire ou un signal en créneaux positifs afin d'utiliser ses propriétés d'isolement galvanique et de modification des tensions et des courants. Le plus souvent, il s'agit de transmettre un signal de commande à un interrupteur statique (transistor ou thyristor) en isolant la commande de la puissance. 67 4.8Transformateur triphasé : 4.8.1.Description des transformateurs triphasés : Pour les fortes puissances, les transformateurs de réseau opèrent directement sur des systèmes de tensions triphasées. La photo illustre une des constitutions possibles. Le circuit magnétique est constitué de 3 colonnes; chacune portant un bobinage primaire et un bobinage secondaire. sur le plan pratique, lorsqu'on est en régime équilibré de tension et de courant, on peut supposer que l'on a à faire à 3 transformateurs monophasés: un par phase.[20] Fig 4.3 Constitution d’un transformateur triphasée Il existe deux types de transformateurs qui se distinguent par leur mode de construction : - les transformateurs immergés - les transformateurs secs. 68 4.8.2. Comparaison entre les types de transformateurs triphasés : Transformateur immergé Construction Le circuit magnétique et les enroulements sont immergés dans Le circuit magnétique est isolé (ou un diélectrique, liquide qui assure calorifiques du transformateur enrobé) dans une matière isolante sèche à plusieurs composants. Le refroidissement est assuré dans l’air ambiant Puissance de 50 à 3000 kVA Puissance de 50 à 2500 kVA Tension primaire 36kV Tension primaire 36kV Tension secondaire 1,1 kV Tension secondaire 1,1 kV isolation et évacuation des pertes Caractéristiques Protections Transformateur sec Les protections les plus utilisées sont le DGPT2 : Détecteur de Gaz, de Pression et de Température à 2 niveaux de détection. Ce système permet la coupure de la charge BT (1er niveau) puis de l'alimentation HT (2e niveau) 69 Les enroulements sont généralement équipés de sondes de détection afin de surveiller les températures internes et permettre le déclenchement de la charge et de l’alimentation si un problème thermique apparaît. 4.8.3.Couplage des enroulements : Les enroulements peuvent être groupés de trois façons différentes : Groupement en ETOILE Groupement en TRIANGLE Groupement en ZIG-ZAG a- Groupement en ETOILE : u N I U I A B A C u i N u U i C B U Fig4.4. Branchement en étoile Constatations Nous voyons que dans le cas du couplage étoile : La tension par enroulement est : U u= 3 70 Le courant dans l’enroulement est : i = I b-Groupement en TRIANGLE : I U I A A B C i i i U u u i B C U Fig4.5. Branchement en triangle Constatations Nous voyons que dans le cas du couplage triangle : Le courant dans l’enroulement est : I i= 3 . La tension par enroulement est : u = U c-Groupement en ZIG-ZAG : u N U I A u a B C i i i i i i b 71 c u U Fig4.6. Branchement en ZIG-ZAG Constatations Ce groupement est un cas particulier du groupement en étoile, où chacune des branches est constituée par deux demi-enroulements portés par des noyaux différents Nous voyons que dans le cas du couplage Zig-Zag : Le courant dans l’enroulement est : I i= 3 La tension par enroulement est : U u= 3 On peut résumer les étapes précédentes, dans le tableau suivant : Branchement Etoile Triangle Zig Zag Y ou y D ou d Z ou z (couplage) Schéma Symbole Lettre 72 4.9Transformateur diphasé-triphasé : 4.9.1. Connexion Scott : Le montage de Scott permet de transformer des tensions triphasées en diphasées et vice versa. Il trouve son application en électronique mais aussi en production, distribution et transmission d'électricité où le diphasé peut être encore utilisé. Le montage de Scott se réalise grâce à deux transformateurs. Le premier transformateur a les bornes de son primaire connectées à deux phases du triphasé. Le second transformateur est connecté entre la prise centrale du premier transformateur et la phase restante du triphasé. Le rapport de bobinage du premier transformateur sera égal à 1 alors que pour le second il sera égal à ce qui équivaut à 0,866 environ. Le secondaire des deux transformateurs sera de tension égale en norme et avec un déphasage de 90 degrés. Fig 4.7.connexion de Scott 73