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Généralités
                Conversion
             Electromécanique
                           q
                     &
            Machines Electriques
                            q
2010-2011          Mohamed Elleuch   1
Différents types d'énergie




                                      /éolienne




2010-2011           Mohamed Elleuch               2
Conversion électromécanique

L’électricité représente une forme intermédiaire
d’énergie très intéressante par:

  sa facilité de transport et de distribution,

   ceci aussi bien à l’échelle d’un continent qu’à
l’intérieur des appareils.

  Elle est produite essentiellement dans des centrales,
par une conversion mécanique électrique au moyen
d’alternateurs.

   2010-2011             Mohamed Elleuch             3
conversion électromécanique
L énergie
L’énergie mécanique provient:

  des turbines hydrauliques ou d’éoliennes, elles
                               d’éoliennes elles-
mêmes entraînées par des chutes d’eau ou par le vent
(énergies mécaniques)
          mécaniques).

  des turbines à vapeur ou à gaz l’énergie thermique
                             gaz, l énergie
étant produite à partir:

    d’énergie chimique (combustion de fuel, de gaz, de
  bois ou de déchets ménagers) ou

      d énergie
      d’énergie nucléaire (fission d’uranium)
                                   d uranium).
  2010-2011              Mohamed Elleuch          4
Diagramme du ‘parcours’ de l’énergie
  électrique avec machines électriques associées
         q                        q
                       Energie Primaire    Génération          Transport &        Utilisation
                                           de l’énergie
                                                    g          Distribution
                                            électrique


                       •nucléaire
                       •Thermique            G,               MT/HT/MT/           AC
Chaîne de
                       •éolienne             MT               BT                    DC
transmission de
                       •Hydraulique
l’énergie é ect que
  é e g e électrique   •……
                       •


Machines                                  Alternateurs    •   Transformateurs *     Moteurs
électriques                                                                   *     Autres
                                                                                    A t
associées
                                                                    +
                                                          Lignes, Protections,
                                                          Gestion



   2010-2011                          Mohamed Elleuch                                    5
Réseau de production et de transport Tunisien (2006)




2010-2011               Mohamed Elleuch                  6
2010-2011   Mohamed Elleuch   7
Centrale éolienne Sidi-Daoud




2010-2011          Mohamed Elleuch    8
Centrales thermoélectriques à énergie fossile




                                                           Centrale de Korneuburg
                                                           C t l d K          b
                                                           (Autriche), 270 MW
Centrale thermoélectrique à Fuel ou à gaz

Ces centrales convertissent par combustion l’énergie    le rendement de ces
chimique (Fuel) en énergie thermique, qui est ensuite   centrales ne dépasse guère
convertie en énergie mécanique et finalement en
                     mécanique,                         40% environ
énergie électrique.
    2010-2011                        Mohamed Elleuch                          9
Conversion électromécanique: Besoin?

Fort besoin énergie mécanique:

50 % à 80% consommation industrielle: Moteurs électriques
     30% compression,
     20% pompage,
     13% ventilation, usinage, broyage, laminage
                    ,      g ,    y g ,       g
                            Conversion Électromécanique




    Problème: Éloignement producteur / consommateur !!!
    2010-2011                     Mohamed Elleuch           10
ELECTRICITE: De la centrale aux clients




L’électricité est distribuée à l’échelle continentale par un réseau extrêmement dense:
        de lignes aériennes et
        de câbles souterrains jusque vers les consommateurs.
    2010-2011                        Mohamed Elleuch                               11
classification
  Transformateurs : Ils permettent de modifier les 
grandeurs électriques d’entrée (tensions, 
courants, fréquences).
courants fréquences)
Exemples : 
    •Convertisseurs de fréquences.
                           q
    •Transformateurs de tension et de courant.
  Génératrices : ce sont des machines qui
                 ce sont des machines qui 
transforment l’énergie mécanique en énergie 
électrique. 
        oExemples : dynamos‐alternateurs


  Moteurs : ils transforment l’énergie électrique en 
énergie mécanique.
Exemples :Les moteurs synchrones et asynchrones
   2010-2011                   Mohamed Elleuch          12
Transformateurs




MT               BT                        MT                 HT
( 30 kV);      (400V)                     5 kV                225 kV

Abaisseur de tension                         Elévateur de la tension
                                                                       13
2010-2011               Mohamed Elleuch
Ordre de Grandeur




2010-2011         Mohamed Elleuch   14
Panorama des Moteurs AC
                                                        Moteurs à
                                                         courant
                                                        alternatif



                                    Moteur                              Moteur
                                    y
                                  Asynchrone                            y
                                                                       Synchrone



                                                                       Monophasé
                Triphasé                                Monophasé          ou
                                                                        Triphasé


                           à bague
                                           à bague de               à
       à cage               (Rotor
                                           déphasage           condensateur
                           bobiné))

2010-2011                             Mohamed Elleuch                              15
AC MOTORS CLASSIFICATION




2010-2011        Mohamed Elleuch   16
Panorama des Moteurs DC


                              Moteur à
                              courant
                              continu


 Excitation   Excitation                                  à aimant
                               Sh t
                               Shunt         C       d
                                             Counpound
  parallèle     série                                    permanent




2010-2011                  Mohamed Elleuch                       17
Autres Moteurs

                                 Moteurs à réluctance
                                     i bl t     t
                                  variable et moteurs
                                      "hybrides"



                                                         à courant continu
               Moteurs "pas                                 sans balais
                  à pas"                                   (appellé aussi
                                                          autosynchrone)



                                 reluctant
  à aimant     à reluctance                         à aimant         à reluctance
                                  polarisé
 permanent t      variable
                     i bl                          permanent t          variable
                                                                           i bl
                                 (hybride




2010-2011                     Mohamed Elleuch                                  18
Applications:
A li ti

du µW
   µW…..au GW
        au

2010-2011   Mohamed Elleuch   19
Electrostatic motor




2010-2011          Mohamed Elleuch   20
Ultrasonic motors - principles
                      Piezoelectric
                      Pi    l ti




2010-2011             Mohamed Elleuch        21
Applications     Les machines électriques
                                        q
    1985 Navires
   p                          p q             y       q
A partir des années 1985, les paquebots sont systématiquement 
équipés de moteurs de propulsion électriques. 
Il s’agit généralement de machines synchrones autopilotées 
d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW. 
d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW




    2010-2011              Mohamed Elleuch                22
Applications        Les machines électriques
  A partir des années 1990, les trains à grande vitesse (TGV) de la SNCF 
sont équipés de moteurs électriques qui sont des machines synchrones 
autopilotées d’une puissance unitaire de  1,1 MW.
      il é d’         i           i i d 1 1 MW

 Chaque rame TGV possède 8 moteurs, soit une puissance maximum 
 Chaque rame TGV possède 8 moteurs, soit une puissance maximum
de 8,8 MW.




     2010-2011                  Mohamed Elleuch                      23
Applications      Les machines électriques     q
 1995 : Moteurs Asynchrones
  L’eurostar est lancé à partir des années 1995. 
  Ces trains sont équipés de moteurs électriques qui sont des 
machines asynchrones d’une puissance unitaire de  1 MW. 
  Chaque train « eu osta » possède 12 moteurs, soit une 
  Cha ue t ai      eurostar possède 12 oteu s soit u e
puissance maximum de 12,2 MW.




  2010-2011               Mohamed Elleuch                  24
Applications
                                              Maglev Train
    enroulements      enroulements                                          enroulements
                                              Véhicule
    de suspension   supraconducteurs                                         supraconducteurs
                                              Maglev

                                                         N       S    N         S       N
                                 Champ
                                 glissant

                                              U      V       W         U            V       W   U
                              enroulements
                              de propulsion                  Convertisseur 3~

•    linear motor
•    super-express bullet train
•    synchronous motor -
         h         t
•    superconducting coils
•    strong magnetic field
•    armature winding along railway line
•    levitated due to strong m f (10 cm above ground)
                             m.f.
     (Messner Effect)
      2010-2011                               Mohamed Elleuch                                       25
Tendances          Les machines électriques
                                           q
   DC Machines/ AC machines
  Vers les années 2000 : La machine à courant continu de puissance 
supérieure à 1 kW disparaît progressivement, 
  remplacée par des moteurs asynchrones moins chers, plus robustes et 
de performances supérieures grâce au contrôle vectoriel de flux. 
de performances supérieures grâce au contrôle vectoriel de flux
  Les moteurs à courant continu se rencontrent désormais 
essentiellement dans le monde de l’automobile (ventilateur, lève‐vitres, 
essuie‐glace, sièges, etc.).
    i l        iè      t )




     2010-2011                Mohamed Elleuch                     26
STEPPER MOTORS




Anytime you need accurate repeatable positioning, consider
using a stepping motor
                 motor.
2010-2011               Mohamed Elleuch                 27
Organisation des Machines
           g
                Electriques
                       q
Un système électromécanique de base est nécessairement
constitué d’au moins:

   un circuit électrique en matériau bon conducteur (cuivre ou
aluminium) parcouru par un courant (densité de courant J)

 d’un circuit magnétique en matériau ferromagnétique perméable
parcouru par un flux d’induction magnétique (champ magnétique
B),

  les deux circuits sont toujours imbriqués

   2010-2011                Mohamed Elleuch                      28
Constitution
Pour un système a partie
mobile, l’élément fixe s’appelle
       ,                  pp
stator
 tandis que élément mobile
         q
s’appelle rotor et sert à
transmettre     les      efforts:
Moteur/Générateur

En absence de mouvement,
 la puissance électrique est
transmise du primaire au
secondaire: Transformateur

   2010-2011               Mohamed Elleuch   29
Fields in the Machines




rotational, or translational motion
2010-2011                  Mohamed Elleuch   30
circuit magnétique
• Il est constitué d’un matériau
  ferromagnétique très perméable par
  rapport à l’air
             l air,
• sa fonction est la canalisation du flux
  magnétique.
On trouve généralement deux types de
  circuits :
  circuit magnétique feuilleté : constitué
  d’un empilage de tôles minces,
  (épaisseur quelques dixièmes de mm). Il
  est utilisé dans le cas d’un flux alternatif
                          d un      alternatif,
  afin de réduire les pertes par courant de
  Foucault.
  Circuit magnétique massif : utilisé dans
  le cas où le flux magnétique est constant
  ou lentement variable.
    2010-2011                      Mohamed Elleuch   31
Induction de saturation




2010-2011           Mohamed Elleuch   32
Rotor/Stator Assemblés




2010-2011       Mohamed Elleuch   33
unassembled parts
                        p




2010-2011         Mohamed Elleuch   34
Circuit magnétique: Machine
                  tournante




2010-2011         Mohamed Elleuch     35
Circuit magnétique: Transformateur




2010-2011    Mohamed Elleuch     36
2010-2011   Mohamed Elleuch   37
Enroulements




Ils servent donc à canaliser le courant électrique.
      Les
      L moins résistifs et l plus é
             i   é i tif t les l économiques sont l cuivre et l’aluminium.
                                             i      t le i  t l’ l i i
    2010-2011                     Mohamed Elleuch                            38
Bobinages de machines
•    - basse tension : fils conducteurs émaillés

•    - haute tension : barres conductrices isolées par du papier
                                                          papier,
     mica, verre, bakélite, résine (enrobage, imprégnation)
                                 Cuivre
                                 émaillé
                                 Isolants


                                      Cales en
                                      bakélite


                                       Galette
                                       isolée et
                                     imprégnée
                                     i     é é

    --- Rotor bobiné de moteur                       --- Transformateur triphasé ---
          asynchrone ---
2010-2011                          Mohamed Elleuch                                     39
2010-2011   Mohamed Elleuch   40
synchronous generator for vehicle
     network applications 5 kVA
             applications,
              pp




2010-2011      Mohamed Elleuch    41
Matériaux isolants
Ils doivent présenter les propriétés
suivantes :
  Bonne    rigidité
             g       diélectrique
                              q          ;
(exprimée en kV/mm).
   Bonne conductivité thermique ;
(exprimée en W/m°c), permettant
l’évacuation par conduction de chaleur
due aux pertes.
  Bonne       tenue      aux     efforts
électromécaniques apparaissant en
service, ou pendant la fabrication.
   Une       endurance       thermique
intéressante permettant la stabilité de
l’isolant malgré la chaleur.
 2010-2011                  Mohamed Elleuch   42
MATERIAUX selon Conductivité

vers 0 K (-273 °C)
                                    à température ambiante : 20 °C
                                                                 C

ρ                10-8       10-4       1          104   106 108         1012       1016
       Supra
       S        Métaux
                Mét                    Semi
                                       S i                                         Ω.m
                                                                                   Ωm
     conducteu conducte             conducteurs                 Isolants
         rs      urs
                            carbo
                               ne                     Verre           Huiles
                            amor                   Porcelaine        Askarels
      V        Ag             phe                  céramique
                                                    é    i                       Quart
      Nb       Cu       Autre         Si       Eau    Email                        z
      Tc       Al         s           Ge       pur    Mica        Thermoplasti
                        métau                   e    Papier
                                                     P i               ques
                          x                           C pur       Thermodurcis
                                                                      sables
                                                                   Elastomères
      2010-2011                            Mohamed Elleuch                                43
Propriétés physiques des isolants

Les isolants électriques possèdent tous à peu près les
  caractéristiques suivantes :

        mauvaise tenue en température <200°C en général
                i t             t      é t      200°C    é é l
        (sauf pour l’amiante, le verre et le mica)
        rigidité électrique élevée : ≈ 10 kV/mm
        très forte résistivité électrique : > 106 Ωm
        constante diélectrique relative εR > 1 (≈ 2 à 8)
        mauvaise conductivité thermique : isolant thermique
        Solide, liquide ou gaz
               , q           g
        densité voisine de 1


2010-2011                 Mohamed Elleuch                   44
Classification
Plusieurs méthodes peuvent être adoptées pour classer les isolants :

•   @ classification en fonction de la tenue en température (La norme NFC 51-111
    définit d
    défi it des classes d’i l t selon l
                 l      d’isolant l leur ttenue en ttempérature, qui dé
                                                        é t         i dépend d l
                                                                           d de la
    matière isolante, mais aussi des matières d’agglomération et d’imprégnation.

•   @ classification en fonction de l état physique :
                                       l’état
     – solide : mica, bois, céramiques, plastiques ...
     – liquide : huiles, pyralène, vernis...
     – gaz : air sec, azote, SF6...

•   @ classification en fonction de l’origine minérale : mica, porcelaine, verre,
    amiante,...
     – organique : bois, papier, coton, soie, caoutchouc (latex),...
     – synthétique : plastiques (thermoplastiques ou thermodurcissables), silicones :
     –    silicones : molécules dont les atomes de carbone ont été remplacés par du silicium.
     – thermoplastiques:       plastiques ramollis à chaud (il peut alors être moulé formé ou
                                                                               moulé,
       extrudé), et durci à froid. Le processus est réversible.
     – thermodurcissables: plastiques durcis par un procédé thermique. Le processus est
       irréversible.


     2010-2011                           Mohamed Elleuch                                   45
Classification en fonction de l’état physique

Isolants solides
       s




              2010-2011                 Mohamed Elleuch                   46
CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA
                    TEMPÉRATURE (1)
    IMPORTANT: Le prix de la machine varie beaucoup selon la classe des
                            isolants utilisés!!!!




2010-2011                    Mohamed Elleuch                        47
CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA
                    TEMPÉRATURE (2)
                                 ( )




2010-2011             Mohamed Elleuch          48
Typical temperature level settings used on rotating electrical machines




  2010-2011                  Mohamed Elleuch                       49
2010-2011   Mohamed Elleuch   50
Convention de signe du couple
Convention : un couple est compté positivement s’il agit dans le
  sens de rotation.
  Si Cem dé i
         désigne l couple él
                  le     l électromagnétique d l machine,
                                         éi      de la    hi
  Cext désigne le couple extérieur agissant sur l’arbre de la
  machine.
  machine
  Pour un moteur                    : Cem > 0
  Pour une génératrice              : Cem < 0
  En régime permanent on a          : Cem + Cext = 0

    En régime transitoire :

•   avec J : moment d’inertie des masses tournantes :
•            accélération angulaire
    2010-2011                   Mohamed Elleuch            51
operation modes, of electrical
                 machines
                           Torque
            quadrant II               quadrant I




                                                   Speed




            quadrant III
               d t                  quadrant IV
                                       d t
2010-2011                    Mohamed Elleuch               52
Torque-Speed Curves
Motor torque-
speed curve                                              Each type of motor
                                                         has a different
                      To
    Torque output
       q      p                                          torque-speed curve
                                                            q     p
     (% of rated)           Torque-speed
                            curve of load
                250
                200                                      The load also has a
                150                Operating
                                                         torque-speed curve
                100                 point

                 50
                                                         The two curves
                      0 500 1 500 2 500 n
                             1,500 2,500                 intersect at the
                           1,000 2,000 Rev/min
                                                         operating point

  2010-2011                            Mohamed Elleuch                      53
Motor operation and generator mode of
              operation
                p




2010-2011      Mohamed Elleuch      54
Load characteristics




            Machine tools

2010-2011                   Mohamed Elleuch   55
2010-2011   Mohamed Elleuch   56
2010-2011   Mohamed Elleuch   57
Stationary        stability




2010-2011          Mohamed Elleuch        58
Rotary and translatory quantities,
    according symbols, equations and units
            g y          q




2010-2011          Mohamed Elleuch           59
Modes de Fonctionnement des
               moteurs
                 t

•    Tout ou Rien
•    Contrôlé en vitesse
•    Servomoteur (asservi en position)
•    Pas Pas
     P àP



2010-2011         Mohamed Elleuch        60
Structure d’un entraînement avec
                     asservissement




2010-2011             Mohamed Elleuch          61
Lois physiques régissant le
                  fonctionnement
L étude
L’étude des machines électriques est
  effectuée :

        à partir des équations de Maxwell (Etude
        locale et microscopique)

        avec le modèle de circuit électrique dit de
        Khirchoff pour une étude globale (Etude
        macroscopique)
2010-2011               Mohamed Elleuch               62
Equations de Maxwell et d’interface

                     ∂D         • B(T) induction magnétique
                                    ( )                g      q
•   rotH = ∇xH = J +
                     ∂t         • Br (T) induction magnétique
                                  rémanente (aimants permanents)
•
    divB = ∇ • B = 0            • D (C/m2) induction électrique
                    ∂B
    rotE = ∇ xE = −             • E (V/m) champ électrique
                    ∂t          • H (A/m)
                                     (    )    champ magnétique
                                                     p      g   q
    divD = ∇ • D = ρ
•
                                • J (A/m2) densité de courant
                                • t (s) temps
                                  ε (F/ )
                                    (F/m)      permittivité
                                                    itti ité
     B = μH + Br                • µ (H/m)      perméabilité
                                  ρ (C/m3)     charge volumique
     D = εE                       σ (S/m)      conductivité
    J = σE
2010-2011                 Mohamed Elleuch                     63
Exemple: Analyse locale




Lignes d’induction autour des
       d induction
encoches d’une machine tournante


                                                Répartition de l’induction dans
                                                le circuit magnétique d’un
                                                transformateur

2010-2011                     Mohamed Elleuch                                 64
Modèle de Kirchoff
Le modèle de Kirchoff consiste
  à établir le schéma équivalent
                         q
  de la machine électrique par
  les circuits électriques,

      ce qui fournit les grandeurs
      globales de la machine:
      Courants, tensions, Flux,

      On en déduit, les forces,
      couples, puissances, vitesse,
      rendement….
      rendement
                                              induction machine, simplified model


   2010-2011                     Mohamed Elleuch                             65
Rappels sur les circuits électriques

• Théorème d’Ampère :


                                        N : Nombre de spires


   Force magnétomotrice f
   F         é      i f.m.m


Le potentiel magnétique UAB = la circulation du vecteur H entre ces deux points.


   Flux totalisé
•Flux à travers une spire :          
                                              (Sm : Section)
•Flux totalisé par le circuit 
électrique:
       q
                                        (Se : définit par le circuit électrique C.E)
                                                                                       66
     2010-2011                                 Mohamed Elleuch
Réluctance
  Loi d’Ohm généralisée
•Ψ: Flux totalisé par le circuit électrique;
•R: résistance électrique du circuit

  Réluctance / Perméance                                                     B
                                                                                 Φ
                                                                                 2
                                                                      H
                                                             A
                                                                      Tube de flux
                                                         Φ           Φ1=Φ
                                                         1           2 I
                                                                 A               B
                                                                     UAB = R. 
                                                                     I
R:   Réluctance magnétique
P:   Perméance                                   UAB



     2010-2011                                                                   67
                                       Mohamed Elleuch
Analogie entre circuit électrique et circuit magnétique

                                                             A         I          B
          Fig.II.9
                                                                     UAB = R. I
                                                                           R. I




Exemple:
    p

 Calculer f
 C l l φf / Φ1 par application d l règle d di i
                      li ti de la è l du diviseur d courant!
                                                  de      t!

On obtient: notion de dispersion

En absence de saturation importante, Rfuite >> R ce qui donne
                                 σ≈ Rfer /Rfuite ≈ 1 e-3.
De plus, si Rfuite ≈ constante la dispersion augmente avec la saturation
    plus             constante,
(proportionnelle à Rfer)                                                          68
                                     Mohamed Elleuch
   2010-2011
Analogie entre circuit électrique et circuit magnétique




2010-2011             Mohamed Elleuch                 69
Inductance
Si Φ désigne le flux à travers une
spire, le flux totalisé par
l’enroulement est :
                Ψ=NΦ


•   L inductance
    L’inductance est définie par :




     2010-2011                       Mohamed Elleuch   70
Mutuelle inductance
•    Mutuelle Inductance
•    Deux circuits couples magnétiquement
     créent un fl commun généré par l
       é t     flux           é éé       les
     deux courants
•    Ф21= Flux crée par le courant i1 et
     embrassé par l circuit 2
        b    é      le i it




                                                                              M
                                     M : Mutuelle inductance             i1       i2


Si les deux enroulements               ψ = L1i1 + M i2
                                           1                      V1                        V2
parcourus par des courants
on obtient:                            ψ = M i1 + L2 i2
                                           2
    Où: Ψk est le flux totalisé par l’enroulement k;   Lk Inductance propre
                                               Mohamed Elleuch                         71
       2010-2011
Notion de dispersion magnétique
                                                             Lσ 1       Flux de fuite
                                              L11
Le coefficient de couplage des deux                                       primaire
enroulements est défini par :

                    L12                                                       Flux commun
                k=        ≤1
                   L11L22
                σ = 1− k 2 ≤ 1                                          Flux de fuite
                                                                        secondaire
        M2        σ: Coef. de dispersion
 σ = 1−
        L1 L2          de Blondel                L22                           Lσ 2


    Si le flux principal est pratiquement embrassé totalement par les deux
    enroulements ! C’est le cas des transformateurs, les flux de dispersion
    n excèdent
    n’excèdent pas les 0 1 % du flux principal
                       0.1           principal.

                        Si   Lσ1 = Lσ2 = 0 alors k=1   et   σ=0

    2010-2011                            Mohamed Elleuch                              72
MATÉRIAUX CONDUCTEURS

vers 0 K (-273                         à température ambiante : 20 °
                                                                   °C
     °C)
 ρ               10-8        10-4        1             104     106    108           1012           1018    1020Ω
    Supra     Métaux                      Semi                                 Isolants                        m
 conducteurs conducteu                 conducteurs
                 rs
                             carbo                                            caoutchouc
                               ne
                             amorphe
            Ag
            Cu          Autres               Si         Eau                 Verre                    Quartz
                                                                     Bois   Mica
                                                                                     polystyrène
            Al          métau                Ge         pure
                          x
 Les matériaux supraconducteurs sont des conducteurs qui, en dessous d’une
 certaine température critique (-148°C pour la plus élevée connue
 actuellement), ne présentent plus aucune résistance au passage du courant
 (résistivité électrique nulle).
     2010-2011                               Mohamed Elleuch                                              73
Propriétés physiques
Les conducteurs électriques sont essentiellement des métaux ou des
alliages métalliques.

Ils possèdent tous à peu près les caractéristiques suivantes :

   - faible résistivité électrique : < 10-6 Ωm (≈1 million de milliard fois plus
   pour les isolants)

   - bonne conductivité thermique : ≈ 100 W/(m°C) (≈ 500 fois moins pour
   les isolants)

   - solide de grande dureté sauf pour le mercure (liquide), le sodium et le
   plomb

   - densité élevée : ≈ 10 sauf pour Al : 2,6 et Au, Pt et W : ≈ 20

   - influence importante de la température sur :
       . la résistivité : 40 % en plus pour 100 °C d’élévation
       . l dil t ti li éi
         la dilatation linéique : qq. mm/m pour 100 °C d’élé ti
                                        /               d’élévation
2010-2011                        Mohamed Elleuch                             74
Métaux et non métaux usuels




2010-2011        Mohamed Elleuch     75
Alliages

• Fontes : fer (92 %) + 2 à 5 % de carbone
      p
  + impuretés
• Aciers : fer (97 % min) + 0,05 à 1,5 % de
  Carbone + traitements thermiques
• bronzes       : Cu + ≈ 10 % de Sn (étain)
• Laitons       :Cu + ≈ 50 % de Zinc
• Constantan :Cu + Nickel
                C

2010-2011         Mohamed Elleuch         76
CARACTERISTIQUES DES METAUX
                   CONDUCTEURS




2010-2011             Mohamed Elleuch     77
Non linéarité des circuits magnétiques
   Les matériaux ferromagnétiques tels que le fer, le nickel, le cobalt et leurs
   alliages, présentent des perméabilités relatives de 100 à 12000 pour de
   faibles inductions,

   alors que tous les autres matériaux ont une perméabilité relative proche de
   l'unité.

   On a donc intérêt à recourir à ces matériaux ferromagnétiques pour la
   réalisation des circuits magnétiques, donc comme supports des flux. Il
   s agira
   s'agira en général d'alliages de fer pour des raisons économiques
                      d alliages    fer,                 économiques.

   Seulement, ces matériaux magnétiques présentent deux types de non
   linéarités de la caractéristique magnétique liant l'induction B au champ
                                                     l induction
   magnétique H :

            la saturation;
           l'hystérésis.
  Outre les difficultés de calcul inhérentes à de telles non linéarités, ces
deux phénomènes limitent les possibilités d'emploi de ces matériaux
                                           d emploi         matériaux.
    2010-2011                      Mohamed Elleuch                             78
Courbe de magnétisation: tôles de
            transformateurs (à cristaux orientés)




2010-2011                 Mohamed Elleuch           79
Matériaux magnétiques
                        g    q




2010-2011          Mohamed Elleuch   80
Cycle d’hystérésis
                                      L’induction B présente dans un
                                    matériau ferromagnétique dépend
                                    des états
                                    d ét t magnétiques antérieurs :
                                                   éti       té i

                                       après une première aimantation
                                    « 1-2-3 », le circuit magnétique
                                    reste aimanté :
                                         induction rémanente BR.

                                      Il faut lui appliquer une excitation
                                    HC négative pour annuler à nouveau
                                    B:
                                          HC = excitation coercitive
                                     Point 3
                                     P i t 3: saturation magnetization
                                                t   ti        ti ti
                                     Point 4: remanence
                                     Point 5: coercive field

                               Remarque: L’énergie perdue par hystérésis
                                                                      81
                                 est proportionnelle à la surface du cycle!
2010-2011    Mohamed Elleuch
Matériaux durs ou doux
matériaux d
  té i    doux (S ft Magnet)
               (Soft M    t)
 Matériaux à cycle d’hystérésis étroit pour
minimiser les pertes par hystérésis ils sont en
                          hystérésis,
général feuilletés et à base de fer (le fer pur a
une résistivité trop importante).

 On distingue essentiellement :
 - les aciers électriques (au silicium)
 --> b
     basses f é
              fréquences : f = 50 H
                                  Hz
 - les alliages fer nickel ou cobalt
 --> moyennes fréquences : f < 100 kHz
 - les ferrites (oxydes de fer)
 --> hautes fréquences : f < 1000 kHz

matériaux durs (HardMagnet)
Dans les aimants permanents, on recherche des valeurs importantes
de
d BR et HC : il f t d
       t        faut donc augmenter la surface du cycle :
                                   t l       f      d    l
   2010-2011     ---> utilisation cycle d’hystérésis large
                                    Mohamed Elleuch                 82
Choix techniques et économiques
   Sur le l technique, il paraît souhaitable d
   S l plan t h i                 ît    h it bl de
   travailler à un niveau d'induction inférieur à la
   limite de saturation située à la partie extrême
   du domaine linéaire de la courbe d'induction
                                       d induction.

   Sur le plan économique, un niveau d'induction
   plus élevé entraîne une réduction du volume
   du fer. En contrepartie, un accroissement de
   potentiel magnétique est nécessaire pour
   compenser les chutes de potentiel
   supplémentaires.
        lé     t i
    Un optimum apparaît donc entre les contraintes techniques (rendement) et les
contraintes économiques (volume)
                        (volume).

  les niveaux d'induction couramment imposés dans les circuits magnétiques sont les
suivants:
        • environ 1 T pour de longs trajets dans le fer;
        • environ 1,2 T pour des zones telles que les pôles des machines électriques;
        • environ 1,5 T pour les circuits magnétiques des transformateurs ;
        • environ 1 6 T pour l zones l plus saturées et d l
              i   1,6         les        les l     t é    t de longueur f ibl t ll que l d t
                                                                         faible telles  les dents.
        • 1,5 à 1,7 T pour les transformateurs de puissance (tôles à cristaux orientés)
     2010-2011                          Mohamed Elleuch                                  83
Pertes fer à flux alternatif
• Un flux alternatif circulant dans un milieu
  ferromagnétique
  ferromagnétiq e y génère des pertes q i se
                                          qui
  traduisent par un échauffement.
• Ces pertes sont imputables à deux causes:
  – le phénomène d'hystérésis;
                 d hystérésis;
                 • (pertes par hystérésis: hysteresis Losses): ph


  – les courants induits dits courants de Foucault.
              • Pertes par courants induits: Eddy Current Losses: pf

         La somme des deux pertes définit les pertes fer: pfer
  2010-2011                     Mohamed Elleuch                     84
Pertes par courants de Foucault
•   Les matériaux ferromagnétiques sont généralement conducteurs.
    Cette propriété peut être caractérisée par la résistivité ρ.

Les relations de Maxwell permettent d'écrire:


une relation entre un phénomène d'induction variable dans le temps et une
densité de courant de circulation dans un milieu conducteur.
Il résulte de cet effet des pertes Joule dont l'expression est
la suivante:




      2010-2011                        Mohamed Elleuch                      85
Courants Induits: Eddy Current




2010-2011         Mohamed Elleuch      86
Réduction des pertes par courants de Foucault

• Deux moyens permettent de
  réaliser cette réduction des
  pertes:

     • l'augmentation de la
     résistivité par un alliage de fer
     et de silicium (jusqu'à 4,8% de
     Si);

     • l'augmentation de la
     résistance du circuit électrique
                                  q
     par un fractionnement du
     circuit magnétique.

  2010-2011                  Mohamed Elleuch    87
Feuilletage du circuit magnétique
            g               g    q




  Ces tôles doivent être isolées entre elles. Elles ont généralement une
épaisseur de 0,25 mm à 1 mm, mais plus fréquemment de 0,5 mm.
L'isolation t
L'i l ti est assurée par un vernis ou par un dé ôt d silice.
                    é              i              dépôt de ili
2010-2011                   Mohamed Elleuch                         88
Tôles magnétiques
  Ils sont essentiellement utilisés, dans les machines électriques travaillant aux
                                   ,                          q
  fréquences industrielles (transformateurs et machines tournantes).

  Ils sont constitués de tôles en acier allié à du silicium (1 à 5 %), ce qui a l’avantage
  d augmenter
  d’augmenter la résistivité mais l’inconvénient de rendre les tôles cassantes
                                   l inconvénient                       cassantes.

On distingue :
 Les tôles classiques à grains non orientés: CFER ≈ 5 W / kg

     Elles sont obtenues par un laminage à chaud suivi d’un décapage chimique, d’un
                           p             g                        p g         q ,
   dernier laminage à froid et d’un traitement thermique.
      Elles sont essentiellement utilisées dans les machines tournantes et les
   transformateurs de faible puissance (< 10 kVA).

 Les tôles à grains orientés. CFER ≈ 0.5 W / kg

     Le procédé de f fabrication est plus complexe et comporte un laminage à chaud suivi de
   plusieurs laminages à froid et traitements thermiques intermédiaires.
     Des propriétés magnétiques optimales sont obtenues, mais uniquement dans le sens du
   laminage : forte perméabilité induction à saturation importante très faibles pertes fer
                    perméabilité,                       importante,                    fer.
     Elles sont essentiellement utilisées dans les transformateurs de forte puissance (> 10 kVA).

   2010-2011                            Mohamed Elleuch                                   89
Pertes par hystérésis
• Lorsque l'induction oscille alternativement entre deux valeurs
  maximales ± Hmax, la caractéristique magnétique dans le plan B-H
  parcourt un cycle fermé

L'énergie par unité de volume dissipée lors de chaque cycle a pour expression:




  Cette énergie spécifique correspond à la surface du cycle d'hystérésis.

   Pour une fréquence d'alimentation f les pertes par unité de masse ont pour valeur
                      d alimentation f,

                                                                 ρ est la masse
                                                                  spécifique du
   Formule empirique:
                                                                    matériau.


Le
L coefficient Ch est caractéristique des pertes par h té é i pour un matériau d
     ffi i t       t      té i ti    d      t       hystérésis         té i donné.
                                                                                é
  2010-2011                         Mohamed Elleuch                                  90
Expression des pertes fer
             p            p

      par courants de Foucault:

 Le
 L coefficient Cw est spécifique d matériau. L grandeur e est l'épaisseur d
        ffi i t     t é ifi      du  té i    La    d        t l'é i       des
 tôles.
pertes totales dans le fer:

                        Ph+ Fo = (Ch + Cwe 2 f ) fBm
                                                   2

 ou
                                               k           2
                                     ⎛ f ⎞          ⎛   B ⎞
                                                         ˆ
                  pertes f = C FER × ⎜
                     t fer           ⎜ f ⎟
                                         ⎟         ×⎜
                                                    ⎜
                                                           ⎟ ×Μ
                                     ⎝ 0⎠           ⎝   B0 ⎟
                                                        ˆ
                                                           ⎠

CFER : coefficient de pertes fer en W/kg (donnée constructeur)
    2010-2011 : masse du circuit
             M                       Mohamed Elleuch                       91
             f0 = 50 Hz; B0 = 1 T; 1,5 < k < 2
Iron losses versus flux density




     Iron l
     I    losses of t
                    f two
different electrical sheets
 at an alternating flux of
50 Hz as a function of the
 maximum value of the
       flux density.
                   y

The curves include both
the hysteresis loss and
 the eddy current loss


  2010-2011                   Mohamed Elleuch   92
Pertes massiques des alliages Fe-Si sous
      une fréquence de 50 Hz (a 1.5T)




2010-2011         Mohamed Elleuch            93
Pertes massiques de différents matériaux a
         50Hz en fonction de Bmax




2010-2011         Mohamed Elleuch         94
Pertes massiques de différents matériaux en
         fonction de la fréquence




2010-2011        Mohamed Elleuch         95
Effet de peau
   Si le courant est continu, alors
la répartition de J est uniforme;
                                                        δ: Skin depth
                                                        δ Ski d th
  Si le courant est variable, il se
concentre sur une épaisseur δ;
                      p           ;
(épaisseur de peau)

   Au delà
   Au‐delà de δ le courant est
              δ,
faible (de même pour J et H) et
n’intéresse donc que la zone
superficielle    du      circuit
magnétique (peau)

   (Plus la fréquence f est grande,
   (Pl l f é                    d
plus la pénétration de H est
faible : c’est l’effet de peau.

    2010-2011                         Mohamed Elleuch
                                                                        96
Effet de peau
• influence importante de la fréquence sur la
  résistivité : effet de peau : en alternatif, le courant
  n’utilise pas l t t lité d l section d conducteur
    ’ tili       la totalité de la  ti du        d t
  mais a tendance à circuler sur sa périphérie.

• Ce phénomène se traduit par l’augmentation de la
  résistance d conducteur. C’ t l raison pour
   é i t     du      d t      C’est la i
  laquelle on fractionne le câble en plusieurs brins (fil
  de Litz en HF)
             HF).


2010-2011               Mohamed Elleuch                     97
Les câbles




2010-2011    Mohamed Elleuch   98
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Chapitre I : Introduction à la conversion électromécanique

  • 1. Généralités Conversion Electromécanique q & Machines Electriques q 2010-2011 Mohamed Elleuch 1
  • 2. Différents types d'énergie /éolienne 2010-2011 Mohamed Elleuch 2
  • 3. Conversion électromécanique L’électricité représente une forme intermédiaire d’énergie très intéressante par: sa facilité de transport et de distribution, ceci aussi bien à l’échelle d’un continent qu’à l’intérieur des appareils. Elle est produite essentiellement dans des centrales, par une conversion mécanique électrique au moyen d’alternateurs. 2010-2011 Mohamed Elleuch 3
  • 4. conversion électromécanique L énergie L’énergie mécanique provient: des turbines hydrauliques ou d’éoliennes, elles d’éoliennes elles- mêmes entraînées par des chutes d’eau ou par le vent (énergies mécaniques) mécaniques). des turbines à vapeur ou à gaz l’énergie thermique gaz, l énergie étant produite à partir: d’énergie chimique (combustion de fuel, de gaz, de bois ou de déchets ménagers) ou d énergie d’énergie nucléaire (fission d’uranium) d uranium). 2010-2011 Mohamed Elleuch 4
  • 5. Diagramme du ‘parcours’ de l’énergie électrique avec machines électriques associées q q Energie Primaire Génération Transport & Utilisation de l’énergie g Distribution électrique •nucléaire •Thermique G, MT/HT/MT/ AC Chaîne de •éolienne MT BT DC transmission de •Hydraulique l’énergie é ect que é e g e électrique •…… • Machines Alternateurs • Transformateurs * Moteurs électriques * Autres A t associées + Lignes, Protections, Gestion 2010-2011 Mohamed Elleuch 5
  • 6. Réseau de production et de transport Tunisien (2006) 2010-2011 Mohamed Elleuch 6
  • 7. 2010-2011 Mohamed Elleuch 7
  • 9. Centrales thermoélectriques à énergie fossile Centrale de Korneuburg C t l d K b (Autriche), 270 MW Centrale thermoélectrique à Fuel ou à gaz Ces centrales convertissent par combustion l’énergie le rendement de ces chimique (Fuel) en énergie thermique, qui est ensuite centrales ne dépasse guère convertie en énergie mécanique et finalement en mécanique, 40% environ énergie électrique. 2010-2011 Mohamed Elleuch 9
  • 10. Conversion électromécanique: Besoin? Fort besoin énergie mécanique: 50 % à 80% consommation industrielle: Moteurs électriques 30% compression, 20% pompage, 13% ventilation, usinage, broyage, laminage , g , y g , g Conversion Électromécanique Problème: Éloignement producteur / consommateur !!! 2010-2011 Mohamed Elleuch 10
  • 11. ELECTRICITE: De la centrale aux clients L’électricité est distribuée à l’échelle continentale par un réseau extrêmement dense: de lignes aériennes et de câbles souterrains jusque vers les consommateurs. 2010-2011 Mohamed Elleuch 11
  • 12. classification Transformateurs : Ils permettent de modifier les  grandeurs électriques d’entrée (tensions,  courants, fréquences). courants fréquences) Exemples :  •Convertisseurs de fréquences. q •Transformateurs de tension et de courant. Génératrices : ce sont des machines qui ce sont des machines qui  transforment l’énergie mécanique en énergie  électrique.  oExemples : dynamos‐alternateurs Moteurs : ils transforment l’énergie électrique en  énergie mécanique. Exemples :Les moteurs synchrones et asynchrones 2010-2011 Mohamed Elleuch 12
  • 13. Transformateurs MT BT MT HT ( 30 kV); (400V) 5 kV 225 kV Abaisseur de tension Elévateur de la tension 13 2010-2011 Mohamed Elleuch
  • 14. Ordre de Grandeur 2010-2011 Mohamed Elleuch 14
  • 15. Panorama des Moteurs AC Moteurs à courant alternatif Moteur Moteur y Asynchrone y Synchrone Monophasé Triphasé Monophasé ou Triphasé à bague à bague de à à cage (Rotor déphasage condensateur bobiné)) 2010-2011 Mohamed Elleuch 15
  • 17. Panorama des Moteurs DC Moteur à courant continu Excitation Excitation à aimant Sh t Shunt C d Counpound parallèle série permanent 2010-2011 Mohamed Elleuch 17
  • 18. Autres Moteurs Moteurs à réluctance i bl t t variable et moteurs "hybrides" à courant continu Moteurs "pas sans balais à pas" (appellé aussi autosynchrone) reluctant à aimant à reluctance à aimant à reluctance polarisé permanent t variable i bl permanent t variable i bl (hybride 2010-2011 Mohamed Elleuch 18
  • 19. Applications: A li ti du µW µW…..au GW au 2010-2011 Mohamed Elleuch 19
  • 20. Electrostatic motor 2010-2011 Mohamed Elleuch 20
  • 21. Ultrasonic motors - principles Piezoelectric Pi l ti 2010-2011 Mohamed Elleuch 21
  • 22. Applications Les machines électriques q 1985 Navires p p q y q A partir des années 1985, les paquebots sont systématiquement  équipés de moteurs de propulsion électriques.  Il s’agit généralement de machines synchrones autopilotées  d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW.  d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW 2010-2011 Mohamed Elleuch 22
  • 23. Applications Les machines électriques A partir des années 1990, les trains à grande vitesse (TGV) de la SNCF  sont équipés de moteurs électriques qui sont des machines synchrones  autopilotées d’une puissance unitaire de  1,1 MW. il é d’ i i i d 1 1 MW Chaque rame TGV possède 8 moteurs, soit une puissance maximum  Chaque rame TGV possède 8 moteurs, soit une puissance maximum de 8,8 MW. 2010-2011 Mohamed Elleuch 23
  • 24. Applications Les machines électriques q 1995 : Moteurs Asynchrones L’eurostar est lancé à partir des années 1995.  Ces trains sont équipés de moteurs électriques qui sont des  machines asynchrones d’une puissance unitaire de  1 MW.  Chaque train « eu osta » possède 12 moteurs, soit une  Cha ue t ai eurostar possède 12 oteu s soit u e puissance maximum de 12,2 MW. 2010-2011 Mohamed Elleuch 24
  • 25. Applications Maglev Train enroulements enroulements enroulements Véhicule de suspension supraconducteurs supraconducteurs Maglev N S N S N Champ glissant U V W U V W U enroulements de propulsion Convertisseur 3~ • linear motor • super-express bullet train • synchronous motor - h t • superconducting coils • strong magnetic field • armature winding along railway line • levitated due to strong m f (10 cm above ground) m.f. (Messner Effect) 2010-2011 Mohamed Elleuch 25
  • 26. Tendances Les machines électriques q DC Machines/ AC machines Vers les années 2000 : La machine à courant continu de puissance  supérieure à 1 kW disparaît progressivement,  remplacée par des moteurs asynchrones moins chers, plus robustes et  de performances supérieures grâce au contrôle vectoriel de flux.  de performances supérieures grâce au contrôle vectoriel de flux Les moteurs à courant continu se rencontrent désormais  essentiellement dans le monde de l’automobile (ventilateur, lève‐vitres,  essuie‐glace, sièges, etc.). i l iè t ) 2010-2011 Mohamed Elleuch 26
  • 27. STEPPER MOTORS Anytime you need accurate repeatable positioning, consider using a stepping motor motor. 2010-2011 Mohamed Elleuch 27
  • 28. Organisation des Machines g Electriques q Un système électromécanique de base est nécessairement constitué d’au moins: un circuit électrique en matériau bon conducteur (cuivre ou aluminium) parcouru par un courant (densité de courant J) d’un circuit magnétique en matériau ferromagnétique perméable parcouru par un flux d’induction magnétique (champ magnétique B), les deux circuits sont toujours imbriqués 2010-2011 Mohamed Elleuch 28
  • 29. Constitution Pour un système a partie mobile, l’élément fixe s’appelle , pp stator tandis que élément mobile q s’appelle rotor et sert à transmettre les efforts: Moteur/Générateur En absence de mouvement, la puissance électrique est transmise du primaire au secondaire: Transformateur 2010-2011 Mohamed Elleuch 29
  • 30. Fields in the Machines rotational, or translational motion 2010-2011 Mohamed Elleuch 30
  • 31. circuit magnétique • Il est constitué d’un matériau ferromagnétique très perméable par rapport à l’air l air, • sa fonction est la canalisation du flux magnétique. On trouve généralement deux types de circuits : circuit magnétique feuilleté : constitué d’un empilage de tôles minces, (épaisseur quelques dixièmes de mm). Il est utilisé dans le cas d’un flux alternatif d un alternatif, afin de réduire les pertes par courant de Foucault. Circuit magnétique massif : utilisé dans le cas où le flux magnétique est constant ou lentement variable. 2010-2011 Mohamed Elleuch 31
  • 32. Induction de saturation 2010-2011 Mohamed Elleuch 32
  • 33. Rotor/Stator Assemblés 2010-2011 Mohamed Elleuch 33
  • 34. unassembled parts p 2010-2011 Mohamed Elleuch 34
  • 35. Circuit magnétique: Machine tournante 2010-2011 Mohamed Elleuch 35
  • 37. 2010-2011 Mohamed Elleuch 37
  • 38. Enroulements Ils servent donc à canaliser le courant électrique. Les L moins résistifs et l plus é i é i tif t les l économiques sont l cuivre et l’aluminium. i t le i t l’ l i i 2010-2011 Mohamed Elleuch 38
  • 39. Bobinages de machines • - basse tension : fils conducteurs émaillés • - haute tension : barres conductrices isolées par du papier papier, mica, verre, bakélite, résine (enrobage, imprégnation) Cuivre émaillé Isolants Cales en bakélite Galette isolée et imprégnée i é é --- Rotor bobiné de moteur --- Transformateur triphasé --- asynchrone --- 2010-2011 Mohamed Elleuch 39
  • 40. 2010-2011 Mohamed Elleuch 40
  • 41. synchronous generator for vehicle network applications 5 kVA applications, pp 2010-2011 Mohamed Elleuch 41
  • 42. Matériaux isolants Ils doivent présenter les propriétés suivantes : Bonne rigidité g diélectrique q ; (exprimée en kV/mm). Bonne conductivité thermique ; (exprimée en W/m°c), permettant l’évacuation par conduction de chaleur due aux pertes. Bonne tenue aux efforts électromécaniques apparaissant en service, ou pendant la fabrication. Une endurance thermique intéressante permettant la stabilité de l’isolant malgré la chaleur. 2010-2011 Mohamed Elleuch 42
  • 43. MATERIAUX selon Conductivité vers 0 K (-273 °C) à température ambiante : 20 °C C ρ 10-8 10-4 1 104 106 108 1012 1016 Supra S Métaux Mét Semi S i Ω.m Ωm conducteu conducte conducteurs Isolants rs urs carbo ne Verre Huiles amor Porcelaine Askarels V Ag phe céramique é i Quart Nb Cu Autre Si Eau Email z Tc Al s Ge pur Mica Thermoplasti métau e Papier P i ques x C pur Thermodurcis sables Elastomères 2010-2011 Mohamed Elleuch 43
  • 44. Propriétés physiques des isolants Les isolants électriques possèdent tous à peu près les caractéristiques suivantes : mauvaise tenue en température <200°C en général i t t é t 200°C é é l (sauf pour l’amiante, le verre et le mica) rigidité électrique élevée : ≈ 10 kV/mm très forte résistivité électrique : > 106 Ωm constante diélectrique relative εR > 1 (≈ 2 à 8) mauvaise conductivité thermique : isolant thermique Solide, liquide ou gaz , q g densité voisine de 1 2010-2011 Mohamed Elleuch 44
  • 45. Classification Plusieurs méthodes peuvent être adoptées pour classer les isolants : • @ classification en fonction de la tenue en température (La norme NFC 51-111 définit d défi it des classes d’i l t selon l l d’isolant l leur ttenue en ttempérature, qui dé é t i dépend d l d de la matière isolante, mais aussi des matières d’agglomération et d’imprégnation. • @ classification en fonction de l état physique : l’état – solide : mica, bois, céramiques, plastiques ... – liquide : huiles, pyralène, vernis... – gaz : air sec, azote, SF6... • @ classification en fonction de l’origine minérale : mica, porcelaine, verre, amiante,... – organique : bois, papier, coton, soie, caoutchouc (latex),... – synthétique : plastiques (thermoplastiques ou thermodurcissables), silicones : – silicones : molécules dont les atomes de carbone ont été remplacés par du silicium. – thermoplastiques: plastiques ramollis à chaud (il peut alors être moulé formé ou moulé, extrudé), et durci à froid. Le processus est réversible. – thermodurcissables: plastiques durcis par un procédé thermique. Le processus est irréversible. 2010-2011 Mohamed Elleuch 45
  • 46. Classification en fonction de l’état physique Isolants solides s 2010-2011 Mohamed Elleuch 46
  • 47. CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE (1) IMPORTANT: Le prix de la machine varie beaucoup selon la classe des isolants utilisés!!!! 2010-2011 Mohamed Elleuch 47
  • 48. CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE (2) ( ) 2010-2011 Mohamed Elleuch 48
  • 49. Typical temperature level settings used on rotating electrical machines 2010-2011 Mohamed Elleuch 49
  • 50. 2010-2011 Mohamed Elleuch 50
  • 51. Convention de signe du couple Convention : un couple est compté positivement s’il agit dans le sens de rotation. Si Cem dé i désigne l couple él le l électromagnétique d l machine, éi de la hi Cext désigne le couple extérieur agissant sur l’arbre de la machine. machine Pour un moteur : Cem > 0 Pour une génératrice : Cem < 0 En régime permanent on a : Cem + Cext = 0 En régime transitoire : • avec J : moment d’inertie des masses tournantes : • accélération angulaire 2010-2011 Mohamed Elleuch 51
  • 52. operation modes, of electrical machines Torque quadrant II quadrant I Speed quadrant III d t quadrant IV d t 2010-2011 Mohamed Elleuch 52
  • 53. Torque-Speed Curves Motor torque- speed curve Each type of motor has a different To Torque output q p torque-speed curve q p (% of rated) Torque-speed curve of load 250 200 The load also has a 150 Operating torque-speed curve 100 point 50 The two curves 0 500 1 500 2 500 n 1,500 2,500 intersect at the 1,000 2,000 Rev/min operating point 2010-2011 Mohamed Elleuch 53
  • 54. Motor operation and generator mode of operation p 2010-2011 Mohamed Elleuch 54
  • 55. Load characteristics Machine tools 2010-2011 Mohamed Elleuch 55
  • 56. 2010-2011 Mohamed Elleuch 56
  • 57. 2010-2011 Mohamed Elleuch 57
  • 58. Stationary stability 2010-2011 Mohamed Elleuch 58
  • 59. Rotary and translatory quantities, according symbols, equations and units g y q 2010-2011 Mohamed Elleuch 59
  • 60. Modes de Fonctionnement des moteurs t • Tout ou Rien • Contrôlé en vitesse • Servomoteur (asservi en position) • Pas Pas P àP 2010-2011 Mohamed Elleuch 60
  • 61. Structure d’un entraînement avec asservissement 2010-2011 Mohamed Elleuch 61
  • 62. Lois physiques régissant le fonctionnement L étude L’étude des machines électriques est effectuée : à partir des équations de Maxwell (Etude locale et microscopique) avec le modèle de circuit électrique dit de Khirchoff pour une étude globale (Etude macroscopique) 2010-2011 Mohamed Elleuch 62
  • 63. Equations de Maxwell et d’interface ∂D • B(T) induction magnétique ( ) g q • rotH = ∇xH = J + ∂t • Br (T) induction magnétique rémanente (aimants permanents) • divB = ∇ • B = 0 • D (C/m2) induction électrique ∂B rotE = ∇ xE = − • E (V/m) champ électrique ∂t • H (A/m) ( ) champ magnétique p g q divD = ∇ • D = ρ • • J (A/m2) densité de courant • t (s) temps ε (F/ ) (F/m) permittivité itti ité B = μH + Br • µ (H/m) perméabilité ρ (C/m3) charge volumique D = εE σ (S/m) conductivité J = σE 2010-2011 Mohamed Elleuch 63
  • 64. Exemple: Analyse locale Lignes d’induction autour des d induction encoches d’une machine tournante Répartition de l’induction dans le circuit magnétique d’un transformateur 2010-2011 Mohamed Elleuch 64
  • 65. Modèle de Kirchoff Le modèle de Kirchoff consiste à établir le schéma équivalent q de la machine électrique par les circuits électriques, ce qui fournit les grandeurs globales de la machine: Courants, tensions, Flux, On en déduit, les forces, couples, puissances, vitesse, rendement…. rendement induction machine, simplified model 2010-2011 Mohamed Elleuch 65
  • 66. Rappels sur les circuits électriques • Théorème d’Ampère : N : Nombre de spires Force magnétomotrice f F é i f.m.m Le potentiel magnétique UAB = la circulation du vecteur H entre ces deux points. Flux totalisé •Flux à travers une spire :           (Sm : Section) •Flux totalisé par le circuit  électrique: q (Se : définit par le circuit électrique C.E) 66 2010-2011 Mohamed Elleuch
  • 67. Réluctance Loi d’Ohm généralisée •Ψ: Flux totalisé par le circuit électrique; •R: résistance électrique du circuit Réluctance / Perméance B Φ 2 H A Tube de flux Φ Φ1=Φ 1 2 I A B UAB = R.  I R: Réluctance magnétique P: Perméance UAB 2010-2011 67 Mohamed Elleuch
  • 68. Analogie entre circuit électrique et circuit magnétique A I B Fig.II.9 UAB = R. I R. I Exemple: p Calculer f C l l φf / Φ1 par application d l règle d di i li ti de la è l du diviseur d courant! de t! On obtient: notion de dispersion En absence de saturation importante, Rfuite >> R ce qui donne σ≈ Rfer /Rfuite ≈ 1 e-3. De plus, si Rfuite ≈ constante la dispersion augmente avec la saturation plus constante, (proportionnelle à Rfer) 68 Mohamed Elleuch 2010-2011
  • 69. Analogie entre circuit électrique et circuit magnétique 2010-2011 Mohamed Elleuch 69
  • 70. Inductance Si Φ désigne le flux à travers une spire, le flux totalisé par l’enroulement est : Ψ=NΦ • L inductance L’inductance est définie par : 2010-2011 Mohamed Elleuch 70
  • 71. Mutuelle inductance • Mutuelle Inductance • Deux circuits couples magnétiquement créent un fl commun généré par l é t flux é éé les deux courants • Ф21= Flux crée par le courant i1 et embrassé par l circuit 2 b é le i it M M : Mutuelle inductance i1 i2 Si les deux enroulements ψ = L1i1 + M i2 1 V1 V2 parcourus par des courants on obtient: ψ = M i1 + L2 i2 2 Où: Ψk est le flux totalisé par l’enroulement k; Lk Inductance propre Mohamed Elleuch 71 2010-2011
  • 72. Notion de dispersion magnétique Lσ 1 Flux de fuite L11 Le coefficient de couplage des deux primaire enroulements est défini par : L12 Flux commun k= ≤1 L11L22 σ = 1− k 2 ≤ 1 Flux de fuite secondaire M2 σ: Coef. de dispersion σ = 1− L1 L2 de Blondel L22 Lσ 2 Si le flux principal est pratiquement embrassé totalement par les deux enroulements ! C’est le cas des transformateurs, les flux de dispersion n excèdent n’excèdent pas les 0 1 % du flux principal 0.1 principal. Si Lσ1 = Lσ2 = 0 alors k=1 et σ=0 2010-2011 Mohamed Elleuch 72
  • 73. MATÉRIAUX CONDUCTEURS vers 0 K (-273 à température ambiante : 20 ° °C °C) ρ 10-8 10-4 1 104 106 108 1012 1018 1020Ω Supra Métaux Semi Isolants m conducteurs conducteu conducteurs rs carbo caoutchouc ne amorphe Ag Cu Autres Si Eau Verre Quartz Bois Mica polystyrène Al métau Ge pure x Les matériaux supraconducteurs sont des conducteurs qui, en dessous d’une certaine température critique (-148°C pour la plus élevée connue actuellement), ne présentent plus aucune résistance au passage du courant (résistivité électrique nulle). 2010-2011 Mohamed Elleuch 73
  • 74. Propriétés physiques Les conducteurs électriques sont essentiellement des métaux ou des alliages métalliques. Ils possèdent tous à peu près les caractéristiques suivantes : - faible résistivité électrique : < 10-6 Ωm (≈1 million de milliard fois plus pour les isolants) - bonne conductivité thermique : ≈ 100 W/(m°C) (≈ 500 fois moins pour les isolants) - solide de grande dureté sauf pour le mercure (liquide), le sodium et le plomb - densité élevée : ≈ 10 sauf pour Al : 2,6 et Au, Pt et W : ≈ 20 - influence importante de la température sur : . la résistivité : 40 % en plus pour 100 °C d’élévation . l dil t ti li éi la dilatation linéique : qq. mm/m pour 100 °C d’élé ti / d’élévation 2010-2011 Mohamed Elleuch 74
  • 75. Métaux et non métaux usuels 2010-2011 Mohamed Elleuch 75
  • 76. Alliages • Fontes : fer (92 %) + 2 à 5 % de carbone p + impuretés • Aciers : fer (97 % min) + 0,05 à 1,5 % de Carbone + traitements thermiques • bronzes : Cu + ≈ 10 % de Sn (étain) • Laitons :Cu + ≈ 50 % de Zinc • Constantan :Cu + Nickel C 2010-2011 Mohamed Elleuch 76
  • 77. CARACTERISTIQUES DES METAUX CONDUCTEURS 2010-2011 Mohamed Elleuch 77
  • 78. Non linéarité des circuits magnétiques Les matériaux ferromagnétiques tels que le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages, présentent des perméabilités relatives de 100 à 12000 pour de faibles inductions, alors que tous les autres matériaux ont une perméabilité relative proche de l'unité. On a donc intérêt à recourir à ces matériaux ferromagnétiques pour la réalisation des circuits magnétiques, donc comme supports des flux. Il s agira s'agira en général d'alliages de fer pour des raisons économiques d alliages fer, économiques. Seulement, ces matériaux magnétiques présentent deux types de non linéarités de la caractéristique magnétique liant l'induction B au champ l induction magnétique H : la saturation; l'hystérésis. Outre les difficultés de calcul inhérentes à de telles non linéarités, ces deux phénomènes limitent les possibilités d'emploi de ces matériaux d emploi matériaux. 2010-2011 Mohamed Elleuch 78
  • 79. Courbe de magnétisation: tôles de transformateurs (à cristaux orientés) 2010-2011 Mohamed Elleuch 79
  • 80. Matériaux magnétiques g q 2010-2011 Mohamed Elleuch 80
  • 81. Cycle d’hystérésis L’induction B présente dans un matériau ferromagnétique dépend des états d ét t magnétiques antérieurs : éti té i après une première aimantation « 1-2-3 », le circuit magnétique reste aimanté : induction rémanente BR. Il faut lui appliquer une excitation HC négative pour annuler à nouveau B: HC = excitation coercitive Point 3 P i t 3: saturation magnetization t ti ti ti Point 4: remanence Point 5: coercive field Remarque: L’énergie perdue par hystérésis 81 est proportionnelle à la surface du cycle! 2010-2011 Mohamed Elleuch
  • 82. Matériaux durs ou doux matériaux d té i doux (S ft Magnet) (Soft M t) Matériaux à cycle d’hystérésis étroit pour minimiser les pertes par hystérésis ils sont en hystérésis, général feuilletés et à base de fer (le fer pur a une résistivité trop importante). On distingue essentiellement : - les aciers électriques (au silicium) --> b basses f é fréquences : f = 50 H Hz - les alliages fer nickel ou cobalt --> moyennes fréquences : f < 100 kHz - les ferrites (oxydes de fer) --> hautes fréquences : f < 1000 kHz matériaux durs (HardMagnet) Dans les aimants permanents, on recherche des valeurs importantes de d BR et HC : il f t d t faut donc augmenter la surface du cycle : t l f d l 2010-2011 ---> utilisation cycle d’hystérésis large Mohamed Elleuch 82
  • 83. Choix techniques et économiques Sur le l technique, il paraît souhaitable d S l plan t h i ît h it bl de travailler à un niveau d'induction inférieur à la limite de saturation située à la partie extrême du domaine linéaire de la courbe d'induction d induction. Sur le plan économique, un niveau d'induction plus élevé entraîne une réduction du volume du fer. En contrepartie, un accroissement de potentiel magnétique est nécessaire pour compenser les chutes de potentiel supplémentaires. lé t i Un optimum apparaît donc entre les contraintes techniques (rendement) et les contraintes économiques (volume) (volume). les niveaux d'induction couramment imposés dans les circuits magnétiques sont les suivants: • environ 1 T pour de longs trajets dans le fer; • environ 1,2 T pour des zones telles que les pôles des machines électriques; • environ 1,5 T pour les circuits magnétiques des transformateurs ; • environ 1 6 T pour l zones l plus saturées et d l i 1,6 les les l t é t de longueur f ibl t ll que l d t faible telles les dents. • 1,5 à 1,7 T pour les transformateurs de puissance (tôles à cristaux orientés) 2010-2011 Mohamed Elleuch 83
  • 84. Pertes fer à flux alternatif • Un flux alternatif circulant dans un milieu ferromagnétique ferromagnétiq e y génère des pertes q i se qui traduisent par un échauffement. • Ces pertes sont imputables à deux causes: – le phénomène d'hystérésis; d hystérésis; • (pertes par hystérésis: hysteresis Losses): ph – les courants induits dits courants de Foucault. • Pertes par courants induits: Eddy Current Losses: pf La somme des deux pertes définit les pertes fer: pfer 2010-2011 Mohamed Elleuch 84
  • 85. Pertes par courants de Foucault • Les matériaux ferromagnétiques sont généralement conducteurs. Cette propriété peut être caractérisée par la résistivité ρ. Les relations de Maxwell permettent d'écrire: une relation entre un phénomène d'induction variable dans le temps et une densité de courant de circulation dans un milieu conducteur. Il résulte de cet effet des pertes Joule dont l'expression est la suivante: 2010-2011 Mohamed Elleuch 85
  • 86. Courants Induits: Eddy Current 2010-2011 Mohamed Elleuch 86
  • 87. Réduction des pertes par courants de Foucault • Deux moyens permettent de réaliser cette réduction des pertes: • l'augmentation de la résistivité par un alliage de fer et de silicium (jusqu'à 4,8% de Si); • l'augmentation de la résistance du circuit électrique q par un fractionnement du circuit magnétique. 2010-2011 Mohamed Elleuch 87
  • 88. Feuilletage du circuit magnétique g g q Ces tôles doivent être isolées entre elles. Elles ont généralement une épaisseur de 0,25 mm à 1 mm, mais plus fréquemment de 0,5 mm. L'isolation t L'i l ti est assurée par un vernis ou par un dé ôt d silice. é i dépôt de ili 2010-2011 Mohamed Elleuch 88
  • 89. Tôles magnétiques Ils sont essentiellement utilisés, dans les machines électriques travaillant aux , q fréquences industrielles (transformateurs et machines tournantes). Ils sont constitués de tôles en acier allié à du silicium (1 à 5 %), ce qui a l’avantage d augmenter d’augmenter la résistivité mais l’inconvénient de rendre les tôles cassantes l inconvénient cassantes. On distingue : Les tôles classiques à grains non orientés: CFER ≈ 5 W / kg Elles sont obtenues par un laminage à chaud suivi d’un décapage chimique, d’un p g p g q , dernier laminage à froid et d’un traitement thermique. Elles sont essentiellement utilisées dans les machines tournantes et les transformateurs de faible puissance (< 10 kVA). Les tôles à grains orientés. CFER ≈ 0.5 W / kg Le procédé de f fabrication est plus complexe et comporte un laminage à chaud suivi de plusieurs laminages à froid et traitements thermiques intermédiaires. Des propriétés magnétiques optimales sont obtenues, mais uniquement dans le sens du laminage : forte perméabilité induction à saturation importante très faibles pertes fer perméabilité, importante, fer. Elles sont essentiellement utilisées dans les transformateurs de forte puissance (> 10 kVA). 2010-2011 Mohamed Elleuch 89
  • 90. Pertes par hystérésis • Lorsque l'induction oscille alternativement entre deux valeurs maximales ± Hmax, la caractéristique magnétique dans le plan B-H parcourt un cycle fermé L'énergie par unité de volume dissipée lors de chaque cycle a pour expression: Cette énergie spécifique correspond à la surface du cycle d'hystérésis. Pour une fréquence d'alimentation f les pertes par unité de masse ont pour valeur d alimentation f, ρ est la masse spécifique du Formule empirique: matériau. Le L coefficient Ch est caractéristique des pertes par h té é i pour un matériau d ffi i t t té i ti d t hystérésis té i donné. é 2010-2011 Mohamed Elleuch 90
  • 91. Expression des pertes fer p p par courants de Foucault: Le L coefficient Cw est spécifique d matériau. L grandeur e est l'épaisseur d ffi i t t é ifi du té i La d t l'é i des tôles. pertes totales dans le fer: Ph+ Fo = (Ch + Cwe 2 f ) fBm 2 ou k 2 ⎛ f ⎞ ⎛ B ⎞ ˆ pertes f = C FER × ⎜ t fer ⎜ f ⎟ ⎟ ×⎜ ⎜ ⎟ ×Μ ⎝ 0⎠ ⎝ B0 ⎟ ˆ ⎠ CFER : coefficient de pertes fer en W/kg (donnée constructeur) 2010-2011 : masse du circuit M Mohamed Elleuch 91 f0 = 50 Hz; B0 = 1 T; 1,5 < k < 2
  • 92. Iron losses versus flux density Iron l I losses of t f two different electrical sheets at an alternating flux of 50 Hz as a function of the maximum value of the flux density. y The curves include both the hysteresis loss and the eddy current loss 2010-2011 Mohamed Elleuch 92
  • 93. Pertes massiques des alliages Fe-Si sous une fréquence de 50 Hz (a 1.5T) 2010-2011 Mohamed Elleuch 93
  • 94. Pertes massiques de différents matériaux a 50Hz en fonction de Bmax 2010-2011 Mohamed Elleuch 94
  • 95. Pertes massiques de différents matériaux en fonction de la fréquence 2010-2011 Mohamed Elleuch 95
  • 96. Effet de peau Si le courant est continu, alors la répartition de J est uniforme; δ: Skin depth δ Ski d th Si le courant est variable, il se concentre sur une épaisseur δ; p ; (épaisseur de peau) Au delà Au‐delà de δ le courant est δ, faible (de même pour J et H) et n’intéresse donc que la zone superficielle du circuit magnétique (peau) (Plus la fréquence f est grande, (Pl l f é d plus la pénétration de H est faible : c’est l’effet de peau. 2010-2011 Mohamed Elleuch 96
  • 97. Effet de peau • influence importante de la fréquence sur la résistivité : effet de peau : en alternatif, le courant n’utilise pas l t t lité d l section d conducteur ’ tili la totalité de la ti du d t mais a tendance à circuler sur sa périphérie. • Ce phénomène se traduit par l’augmentation de la résistance d conducteur. C’ t l raison pour é i t du d t C’est la i laquelle on fractionne le câble en plusieurs brins (fil de Litz en HF) HF). 2010-2011 Mohamed Elleuch 97
  • 98. Les câbles 2010-2011 Mohamed Elleuch 98
  • 99. 2010-2011 Mohamed Elleuch 99