cours-machines-electriques

O1MM 2eannée
MACHINES ÉLECTRIQUES
Cours et Problèmes
Claude CHEVASSU
version du 20 juillet 2012

Table des matières
Introduction - Généralités vii
0.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
0.2 Méthode de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
1 Transformateurs 1
1.1 Symboles .................................. 1
1.2 Principe - Équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Constitution - Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Transformateur idéal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 Transformateur parfait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 Impédance ramenée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Transformateur réel à vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1 Influence de la réluctance du circuit magnétique . . . . . . 13
1.4.2 Influence des pertes fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Transformateur réel en charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.1 Schéma équivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.2 Chute de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.3 Essais et propriétés du transformateur . . . . . . . . . . . . 20
1.6 Transformateurs spéciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6.1 Autotransformateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.2 Transformateur de tension (TT) . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6.3 Transformateur de courant (TI) . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7 Transformateur triphasé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.7.1 Grandeurs caractéristiques d’un transformateur triphasé . 31
i

ii TABLE DES MATIÈRES
1.7.2 Rapport de transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.7.3 Groupes de couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.7.4 Conditions du couplage en parallèle . . . . . . . . . . . . . . 36
1.8 Mise sous tension des transformateurs . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.9 Exercices et problèmes sur le transformateur . . . . . . . . . . . . . 43
1.9.1 Utilité du transformateur pour le transport de l’énergie élec-
trique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9.2 Autotransformateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9.3 Calcul du nombre de spires nécessaire pour réaliser un trans-
formateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.9.4 Essai à vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.9.5 Fonctionnement d’un transformateur . . . . . . . . . . . . . 45
1.9.6 Essai en court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.9.7 Transformateur monophasé en charge . . . . . . . . . . . . 45
1.9.8 Fabrication d’un transformateur, prédétermination des élé-
ments du schéma équivalent de Kapp . . . . . . . . . . . . . 46
1.9.9 Étude du fonctionnement d’un transformateur, court-circuit,
mise en parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.9.10 Étude d’un transformateur triphasé . . . . . . . . . . . . . . 49
1.9.11 Transformateur triphasé : modification du couplage du se-
condaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.9.12 Transformateur triphasé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.9.13 corrigé de l’exercice 1.9.1, page 43 . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.9.14 corrigé de l’exercice 1.9.2, page 43 . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.9.15 corrigé de l’exercice 1.9.3, page 44 . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.9.16 corrigé de l’exercice 1.9.4, page 44 . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.9.17 corrigé de l’exercice 1.9.5, page 45 . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.9.18 corrigé de l’exercice 1.9.6, page 45 . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.9.19 corrigé de l’exercice 1.9.7, page 45 . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.9.20 corrigé de l’exercice 1.9.8, page 46 . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.9.21 corrigé de l’exercice 1.9.9, page 47 . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.9.22 corrigé de l’exercice 1.9.10, page 49 . . . . . . . . . . . . . . 59
1.9.23 corrigé de l’exercice 1.9.11, page 49 . . . . . . . . . . . . . . 60

TABLE DES MATIÈRES iii
2 Généralités sur les machines électriques tournantes 61
2.1 Technologie des machines électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.1.1 Matériaux magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.1.2 Matériaux conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.1.3 Matériaux isolants - Classe d’isolation . . . . . . . . . . . . . 63
2.2 Services de marche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2.1 Échauffement des machines électriques . . . . . . . . . . . 66
2.2.2 Indice de protection IPxx et IKxx . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2.3 Plaque signalétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.3 Lois générales de la conversion électromécanique . . . . . . . . . 69
2.4 Production de forces électromotrices . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.4.1 Structure de la machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.4.2 Flux magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.4.3 Force électromotrice induite . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5 Inductions tournantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.5.1 Inducteur tournant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.5.2 Inducteur triphasé fixe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.6 Machine bipolaire équivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.7 Explication microscopique du fonctionnement . . . . . . . . . . . 82
3 Machines à courant continu 89
3.1 Symboles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2 Constitution d’une machine à courant continu . . . . . . . . . . . 90
3.2.1 L’inducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.2.2 L’induit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.2.3 Collecteurs et balais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3 Équation générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3.1 Force électromotrice à vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3.2 Étude en charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4 Moteur à courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4.1 Démarrage d’un moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4.2 Moteur à excitation séparée (ou dérivée) . . . . . . . . . . . 108