Cours Equipements Electriques

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Cours Equipements Electriques
FHC Boumerdès
Dans ce cours vous allez retrouver des généralités sur les moteurs électriques (MCC et MCA),
puis l'alimentation des moteurs à courant continu (pas toutes les configurations, juste celles
que nous avons abordées en salle). Les caractéristique principales des charges entrainées ainsi
que les caractéristiques mécaniques des moteurs électriques, le point de fonctionnement de
l'ensemble moteur-charge et puis quelques notions sur le réglage de la vitesse.
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I.1 Les machines électriques :
On définit une machine électrique comme étant un dispositif de conversion entres deux
types d'énergies, l'une d'entres elles est électrique.
Quand la conversion est Electrique => Mécanique notre machine est un moteurs, mais quant
conversion est Mécanique => Electriques la machine est une génératrice.
MOTEUR
Electrique
Conversion
d'énergie
Mécanique
GENERATRICE
I.2 Les types des moteurs électriques:
On trouve principalement des moteurs électriques à courant continu et des machines à
courant alternatif.
I.2.1 Moteurs électriques alimentées à courant continu :
Les symboles du moteur à courant continu :
Le moteur comprend :
 Un circuit magnétique comportant une partie fixe, le stator, une partie tournant, le
rotor et l’entrefer l’espace entre les deux parties.
 Une source de champ magnétique nommée l’inducteur (le stator) crée par un bobinage
ou des aimants permanents;
 Un circuit électrique induit (le rotor) subit les effets de ce champ magnétiques;
 Le collecteur et les balais permettent d’accéder au circuit électrique rotorique
Constitution de la machine à courant continu
I.2.1.1 Principe de fonctionnement du moteur à courant continu :
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L'inducteur crée un champ magnétique, ce dernier sort du pôle nord, traverse l'entrefer et
pénètre dans le rotor, en balayant l'enroulement rotorique, puis rejoint le pole sud. Les
enroulements rotoriques, déjà alimentée à travers le collecteur et les balais, sont traversé par
un courant électrique, qui garde le même sens de circulation, grâce au collecteur, au prés de
chaque un des pôles statoriques. Les deux brins d’une spire placée dans le champ magnétique
B , subissent des forces électromagnétiques F 1 et F 2 formant un couple de force qui fait
tourner le rotor.
Représentation des vecteurs s'exerçant sur
les conducteurs du rotor
Courant
Champs
Force
La règle des trois doits qui détermine les sens des
vecteurs, champs courant et force.
Circuit magnétique d’un moteur à courant
continu bipolaire
I.2.1.2 Les différents types des moteurs à courant continu :
Selon les différents montages possibles entre les enroulements rotoriques et statoriques on
obtient les différents types existants, on trouve donc :
a. Moteur à excitation indépendante :
Les deux enroulements statoriques et rotorique sont alimentés avec des sources de tensions
indépendantes. Il faut, donc, deux alimentations : une pour l’inducteur et l’autre pour l’induit.
Schéma d'un moteur à courant continu à excitation
indépendante
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b. Moteur à excitation série
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:
Pour ce type de moteur, les enroulements statorique et rotorique sont alimentés en série. La
tension d'alimentation est partagée en le rotor et le stator.
Schéma d'un moteur à courant continu à excitation série
c. Moteur à excitation composée (ou compound):
Dans le moteur compound une partie du stator est raccordé en série avec le rotor et une
autre est de type parallèle ou shunt. Ce moteur réunit les avantages des deux types de moteur :
le fort couple à basse vitesse du moteur série et l'absence d'emballement (survitesse) du
moteur shunt.
exs
exp
Schéma d'un moteur à courant continu à excitation série
I.2.1.3 Force électromotrice et loi d'ohm :
Nous avons ici le modèle simplifié d'un moteur à courant continu. Avec :
R : Résistance de l'induit (en ohm)
E : Force électromotrice (en Volt)
U : Tension appliquée aux bornes de l'induit.
En réalité, il existe aussi une inductance L en série avec R. On doit tenir compte de cette
inductance si le courant I varie. (en vitesse variable, par exemple)
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
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Force électromotrice : E = k.Ф.n.
Avec : E : en volt, n : vitesse de rotation en tour/s (hz), k : Cste moteur, Ф: flux magnétique.

Loi d'ohm : U = RI + E
D'où Vitesse de rotation n = (U-RI)/(k.Ф)
On remarque qu'il ne faut donc jamais couper l'excitation d'un moteur à courant continu si
l'induit reste sous tension : la vitesse va croître dangereusement (emballement du moteur).
(Destruction de moteur sous l'effet de l'énergie centrifuge)
Si le flux d’excitation Ф (généré par l’inducteur) est constant, on peut écrire :
E = K.Ω avec K en Volt/(rd/s) , Ω en rd/s (vitesse angulaire de l’arbre moteur) et E en volt
 La fem E est proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur
Cem = K.I avec K en Nm/A, Cem : couple électromécanique en Nm , I en ampère.
 Le couple est proportionnel au courant absorbé
Note : les deux K sont identiques, ont peut donc écrire :
E/ Ω = Cem/I
Donc : E.I = Cem Ω = Pem
Pem : Puissance électromécanique.
I.2.1.4 Les puissances dans le moteur électrique




Puissance utile : c'est la puissance mécanique sur l’arbre du moteur
Pu = Pem – (pertes mécaniques + pertes magnétiques) avec Pu en Watts.
Puissance absorbée :
Pabs = U.I (U : tension d’alimentation en Volt, I : courant absorbé en ligne, Pabs en
Watts)
Pertes : Les pertes dans le moteur sont à la fois : pertes par effet joules (R.I2) , pertes
magnétiques, et pertes mécaniques
Bilan des puissances pour le moteur :
Pabs (U,I)
(Puissance
Absorbée)
Pu (Puissance utile en sortie)
Moteur
PERTES
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On peut décomposer en :
Pu = Cu.Ω
Pabs (U,I)
(Puissance
Absorbée)
Pem = E.I = Cem Ω
= UI – RI2
PERTES Joules
R.I2
PERTES magnétiques
et mécaniques
Rendement :
Le rendement = Puissance fournie (utile) / Puissance totale absorbée. = Pu / Pabs
Pabs = U.I (+ puissance absorbée par l'inducteur)
Pu = Cu.Ω, d'où rendement η= (Cu. Ω)/UI
I.2.2 Moteurs électriques alimentées avec courant alternatif :
I.2.2.1 Définition :
Se sont des machines qui se constituent d'un rotor et d'un stator. Le stator est alimenté par
un courant alternatif, qui produit un champ magnétique statorique tournant qui est à la base de
leur principe de fonctionnement.
Il existe deux types de machine à courant alternatives : Les machines synchrones et les
machines asynchrones.
I.2.2.2 Les différents types des machines synchrones :
a. Les machines synchrones :
Le terme synchrone signifie que la vitesse de rotation du rotor est égale à la vitesse du champ
tournant statorique.

Constitution et principe de fonctionnement :
 Rotor : Il est constitué d’un enroulement créant un champ magnétique 2p polaire. Il
possède donc p paires de pôles. Le champ magnétique rotorique est soit crée par
alimentation en courant continu par l’intermédiaire de bagues et de balais du circuit
rotorique soit par des aimants permanents.
 Stator : C'est la partie fixe du moteur. Il comporte trois bobinages (ou enroulements)
qui peuvent être couplés en étoile Y ou en triangle ∆ selon le réseau d’alimentation.
Les enroulements du stator sont le siège de courants alternatifs monophasés ou
triphasés. Ils possèdent le même nombre de paires p de pôles que le rotor. Le champ
magnétique statorique créé tourne à la pulsation S qui correspond à la fréquence de
des courants alternatifs alimentant le stator.
Le champ tournant du stator accroche le champ inducteur solidaire du rotor. Le rotor ne peut
donc tourner qu’à la vitesse de synchronisme S.
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Répartition du champ magnétique dans
l’entrefer d’une machine synchrone
Machine synchrone tétra polaire à
rotor saillant bobiné
b. Les machines asynchrones :
Les machines sont asynchrones, donc, leur vitesse de rotation n'est jamais égale, toujours
inférieur, à la vitesse du champ tournant statorique.
 Constitution et principe de fonctionnement :
Le moteur asynchrone triphasé, qui est le récepteur de puissance des installations
industrielles, est formé d’un :
 Stator : Comme pour la machine synchrone, le stator constitue la partie fixe du
moteur. Il comporte trois enroulements qui peuvent être couplés en étoile Y ou en
triangle.
 Rotor : la partie tournante du moteur. Cylindrique, il porte soit un bobinage
(d’ordinaire triphasé comme le stator) soit accessible par trois bagues et trois balais,
soit une cage d’écureuil non accessible, à base de barres conductrices en aluminium.
Dans les deux cas, le circuit rotorique est mis en court-circuit en étoile ou en triangle
(par des anneaux ou un rhéostat)
On dispose sur le stator de trois bobines identiques, Ces trois bobines alimentées par un
système de tension triphasé produisent un champ magnétique tournant, champ inducteur, le
rotor se trouvant au centre de ce champ. Tant que le rotor à une fréquence de rotation
différente que celle du champ inducteur, chaque point de rotor voit une variation de champ. A
cause de cette variation, les conducteurs rotoriques produisent donc une f.é.m qui, dans le
circuit fermé, va donner naissance à des courants induits. La présence de ces courants induits
et du champ inducteur fera apparaître une force mécanique qui fera tourner le rotor.
Le rotor ne pourra jamais tourner à la même vitesse que le stator.
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Représentation des trois phases statoriques du
moteur à courant alternatifs
Machine asynchrone avec rotor à
cage d'écureuil
Rotor à cage d'écureuil pour
machine asynchrone
I.2.2.3 Vitesse de rotation, vitesse de synchronisme, glissement et couple :
Le principe de fonctionnement du moteur asynchrone repose sur la création d'un champ
magnétique tournant. Le stator sera donc identique à celui d'un moteur synchrone.
Les bobinages triphasés du stator créent un champ magnétique tournant à la vitesse ΩS qui
dépend de la pulsation d'alimentation  = 2. . , mais aussi du nombre de paires de pôles p
du stator (relation ci-dessous) :
 =


Avec :
 : vitesse angulaire de champ tournant (synchronisme) en rad/s
: Pulsation d'alimentation
: Nombre de paire de pôles
La rotation du rotor la vitesse  est légèrement inférieure à  , le glissement est donc donné
par :
=
 −   − 
=


Avec :
: Glissement.
 : vitesse angulaire de champ tournant (synchronisme) en tr/mn
: vitesse angulaire du rotor en tr/mn.
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Si le glissement est faible (fonctionnement nominal) on peut estimer que le couple est
proportionnel au glissement :
 = . 
Avec :
T: le couple.
k: Cste.
g : le Glissement.
II. Alimentation des Moteurs à courant continu :
II.1 Alimentation par des rhéostats de démarrage :
Dans ce cas le rhéostat est utilisé principalement pour limiter le courant de démarrage, mais il
peut être aussi utilisé pour la variation de vitesse. Le rôle du rhéostat est dissiper une partie de
la puissance débitée par la source et ainsi limiter la puissance absorbée par le moteur.
La figure ci-contre montre le
schéma de câblage d'un rhéostat
courant. (Exemple moteur en
dérivation)

Fonctionnement du montage : Un bras conducteur, portant deux frotteurs "a" et "b", est
connecté à une des bornes de l'alimentation. Lorsque le moteur est à l'arrêt, le bras repose
sur le plot "0" qui est isolé. Au démarrage, le frotteur "b" touche d'abord le plot "1", ce qui
établit la tension d'excitation et le courant dans l'induit limité par la résistance totale du
rhéostat. Le courant d'excitation ne s'établit que lentement car la constante de temps du
circuit d'excitation est importante. Le frotteur "a" entre ensuite en contact avec le secteur
conducteur de sorte que la tension d'alimentation reste constamment appliquée au circuit
d'excitation. En passant d'un plot à l'autre, le frotteur réduit la valeur de la résistance de
démarrage jusqu'à l'annuler.
 Choix des résistances de démarrage :
Selon le modèle de la machine a courant continu, on a :
U = RI + E et E = k.Ф.n, au démarrage n = 0 donc E=0
c.a.d U = RI
et si on veut limiter le courant I à des valeurs bien précises, il faut choisir R en fonction de la
tension d'alimentation, sachant que R est la somme de la résistance interne du moteur et celle
additionnelle.
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II.1 Alimentation électronique des moteurs à courant continu :
L'alimentation électronique des moteurs est basée sur les convertisseurs électroniques
d'énergie. Le choix du type du convertisseur dépend de l'énergie disponible à la source
(continue ou alternative) et les caractéristiques de commande qu'on cherche à obtenir.

Si la tension de la source est continue on utilise un hacheur

Si la tension de la source est alternative on a deux possibilités : soit un redresseur
commandé ou un redresseur plein diode associé à un hacheur.
Alimentation
à tension
continue
Alimentation
à tension
alternative
Redresseur
plein diodes
Alimentation
à tension
alternative
MCC
Hacheur
MCC
Hacheur
Redresseur
commandé
MCC
II.1 Alimentation des moteurs à courant continu par un hacheur :
La Figure suivante représente le schéma de principe d'un hacheur série ainsi que la tension et
le courant à l'entrée du moteur. Le moteur est représenté par son schéma équivalent. La chute
de tension balais/collecteur est négligée. La tension de la source d'alimentation est constante
et égale à V a.
A l'instant t=0, le transistor est rendu passant : la source Val est donc appliquée aux bornes du
moteur et débite un courant i qui augmente exponentiellement selon la constante de temps Ta
de la machine vers une valeur asymptotique égale à (Val - e)/Ra. A l'instant t = tc, le transistor
est rendu bloquant, le courant i se referme par la diode de roue libre D et la tension aux bornes
de la machines est nulle. Le courant ia diminue donc exponentiellement. Les phénomènes se
reproduisent avec une période T.
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Un hacheur série alimentant un MCC
Tension et Courant a l'entrée du MCC
II.1.2 La tension moyenne :
La tension moyenne aux bornes de la machine vaut :
  = 




  est donc réglable aux bornes du moteur et elle varie linéairement en fonction de

Si la période T est faible devant la constante de temps Ta du rotor, le courant est
pratiquement constant.
II.1.3 Fonctionnement dans les quatre quadrants :
Le schéma de principe est celui de la Figure suivante où les sens positifs du courant et de la
tension d'armature sont indiqués
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



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Le fonctionnement dans le premier quadrant (ia >0, e>0) est obtenu en rendant T4
passant et en faisant jouer le rôle de hacheur à T1. La diode de roue libre est D 2.
Le fonctionnement dans le troisième quadrant (ia <0, e<0) est obtenu en rendant T2
passant et en faisant jouer le rôle de hacheur à T3 . La diode de roue libre est D4 .
Pour le fonctionnement dans le deuxième quadrant (ia >0, e<0), D3 est passant, T1 est
le hacheur et D assure le retour du courant par la source.
Pour le fonctionnement dans le quatrième quadrant (i <0, e>0), D1 est passant, T3 est
le hacheur et D4 assure le retour du courant par la source.
II.2 Chaîne de transmission électromécanique:
La chaine de transmission complète est représentée par figure suivante :
Arbre Couplage/Réducteur
moteur
Réseau
Alimentation
Moteur
Pa
Pa
m
Pu
Tm
m
K
r
Pc
c
Tc
J
Charge
K
Pu
Tm
m
m
K=  r/ m
r
Pc
c
Tc
J
: Puissance absorbée par le moteur en W ou kW
: Rendement du moteur (m= Pu / Pa)
: Puissance utile fournie par le moteur sur l’arbre en W ou kW (Pu = Tm m)
: Couple utile sur l’arbre moteur ou couple résistant opposé par la charge en Nm
: Vitesse de rotation de l’arbre moteur en rad/s
: Rapport de réduction du réducteur (K = r / m )
: Rendement du réducteur (r = Pc/ Pu )
: Puissance demandée par la charge en W ou kW
: Vitesse de rotation de la charge en rad/s
: Couple résistant de la charge en Nm
: Moment d’inertie de la charge en kg/m2
I.2.1 Caractéristiques des charges entrainées :
Définit les besoins de la machine entraînée. Lorsque cette caractéristique n’est pas
connue, elle est assimilée à l’une des trois caractéristiques ci dessous.

Caractéristique de levage 1 :
Le couple résistant Tr est plus fort au décollage. Tr  cte
Exemples : - Tapie roulant;
- Levage.
(2)
(1)
(3)
La caractéristique du couple résistant des
différents types de charges en fonction de la
vitesse
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
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Caractéristique de ventilation 2 :
Le couple résistant Tr est assez faible au décollage. Il croit avec la vitesse selon une loi
donnée :
Tr  k '.2
Exemples :
 Pompe centrifuge,
 Ventilateur.
Caractéristique concasseur 3 :
Le couple résistant Tr est important au décollage, il décroît avec la vitesse.
k ''
Tr 

La puissance P est constante.
Exemple : Concasseur.
I.2.2 Caractéristiques mécaniques des moteurs électriques :
La caractéristique mécanique de moteurs électrique est celle qui exprime la variation de la
vitesse de rotation du moteur en fonction du couple charge.
Tous les moteurs électriques présentent une fonction de vitesse de rotation décroissante avec
l'augmentation du couple charge. La nature de la variation permet de classer ces
caractéristiques en trois catégories :
a. Caractéristiques mécanique absolument rigides : Cela veut dire que la variation de
la vitesse est négligeable, sinon nulle. C'est la cas des moteurs électriques synchrones.
b. Caractéristiques mécanique rigides : dans ce cas la vitesse de rotation du moteur
baisse légèrement avec l'augmentation du couple charge. C'est le cas des moteurs à
courant continu à excitation séparée ou shunte et des moteurs asynchrones.
c. Caractéristiques mécanique souple : pour ce type de caractéristiques la variation de
la vitesse en fonction du couple est très importante. Pour une petite variation de
couple, on a une très grande chute de vitesse de rotation.
Vitesse
a
b
c
Couple
Différentes caractéristiques mécaniques des moteurs électriques
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I.3.1 Point de fonctionnement :
En fonctionnement moteur : c'est le point où le couple 'tension, courant' permet le
fonctionnement de la machine pour un couple 'vitesse, couple' donné.
Dans tous les cas, c'est la charge qui impose le point de fonctionnement d'une machine
électrique. Le moteur ayant une caractéristique mécanique définie, la charge ayant une autre.
Le point du fonctionnement est donné par l'intersection des deux caractéristiques.
Vitesse
Caract. mec. du moteur
Caract. mec. de la charge
Le point de fonctionnement
Couple
II. Réglage de vitesse des moteurs électriques :
II.1. définition : Le réglage de vitesse est une imposition de la vitesse de rotation du moteur
pour les couples charges qui restent inferieurs aux couples maximum que le moteur peut
développer au voisinage de la vitesse de rotation recherchée.
Le but de la variation de la vitesse est :
 Répondre aux exigences du processus
 Amélioration des performances de fonctionnement
II.2 Indice de réglage de vitesse :
Plusieurs méthodes peuvent nous permettre régler la vitesse d'un moteur électrique. Mais
toutes n'ont pas les mêmes performances. Parmi les indices qui permettent de classer ces
méthodes, On trouve :
a. La gamme de réglage de vitesse : c'est le rapport entre la valeur maximale et
minimale des vitesses qu'on obtenir.
=


b. La progressivité de réglage : C'est le nombre de vitesse stable qu'on peut obtenir
dans une gamme de réglage donnée. Plus le nombre des vitesse possible est élevé plus
la progressivité est meilleure.
c. La stabilité du réglage : La stabilité de fonctionnement à une vitesse donnée
correspond à la variation de la vitesse pour une variation donnée du couple. Donc, on
peut dire que plus la rigidité de la caractéristique mécanique est grande plus la stabilité
est meilleure.
d. Le sens du réglage de vitesse : Il indique l'augmentation ou la diminution de la valeur
de la vitesse par rapport à la vitesse nominale.
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e. La rentabilité de réglage de vitesse : La rentabilité d'un système de variation de
vitesse est un facteur important. En plus d'être fiable les système doit être rentable,
autrement dit : Assurer une diminution des dépenses d'exploitation et garantir un
amortissement des investissement consentis.
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