3.5.1.2Utilisation de ce type de moteur

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
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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
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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
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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.
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- 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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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: la⁡flux⁡dans⁡la⁡spire
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