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Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

  1. 1. Les grandeurs électriques et mécaniques Un peu de vélo ... Électricité 2 — Électrotechnique Christophe Palermo IUT de Montpellier Département Mesures Physiques Web : http://palermo.wordpress.com e-mail : cpalermo@um2.fr Année Universitaire 2010–2011 MONTPELLIER
  2. 2. Plan 1 Puissance électrique 2 Grandeurs mécaniquesIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 2/8
  3. 3. Plan 1 Puissance électrique 2 Grandeurs mécaniquesIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 3/8
  4. 4. La puissance électrique Grandeurs électriques : Tension U Courant I Facteur de puissance en alternatif cos ϕ Puissance électrique La puissance électrique est proportionnelle au produit U · I (au facteur de puissance près en alternatif)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 4/8
  5. 5. Plan 1 Puissance électrique 2 Grandeurs mécaniquesIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 5/8
  6. 6. Notion de couple On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ?IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6/8
  7. 7. Notion de couple On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ? → − Appliquons F en P, à → de l’axe − r Le disque tourne autour de l’axe P r O Un couple (moment) est appliqué au disque FIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6/8
  8. 8. Notion de couple On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ? → − Appliquons F en P, à → de l’axe − r Le disque tourne autour de l’axe P r O Un couple (moment) est appliqué au disque F Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation : → − Moment avec → ⊥ F − rIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6/8
  9. 9. Notion de couple On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ? → − Appliquons F en P, à → de l’axe − r Le disque tourne autour de l’axe P r O Un couple (moment) est appliqué au disque F Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation : → − Moment avec → ⊥ F − r Couple Lors de la rotation autour d’un axe fixe, le couple T est le produit de la distance r à l’axe par l’intensité de la force agissante F : T = rF S’exprime en N.mIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6/8
  10. 10. La puissance mécanique est donnée par le couple multiplié par la vitesse angulaire : P = TΩ Couple : Force × distance Se ressent dans les jambes du cycliste Est déployé par la roue sur le sol =⇒ création d’une force Transmission : puissance aux pédales = puissance dans la roueIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 7/8
  11. 11. Augmenter la puissance Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance 2 solutions :IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 8/8
  12. 12. Augmenter la puissance Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance 2 solutions : Grand plateau – petit pignon Pour le cycliste :Grand couple, petite vitesse angulaire 5èmeIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 8/8
  13. 13. Augmenter la puissance Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance 2 solutions : Grand plateau – petit pignon Petit plateau – grand pignon Pour le cycliste : Pour le cycliste :Grand couple, petite vitesse angulaire Petit couple, grande vitesse angulaire 5ème 1èreIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 8/8
  14. 14. Les machines électriquesÉlectricité 2 — Électrotechnique Christophe Palermo IUT de Montpellier Département Mesures Physiques & Institut d’Electronique du Sud Université Montpellier 2Web : http://palermo.wordpress.com e-mail : cpalermo@um2.frAnnée Universitaire 2010–2011 MONTPELLIER
  15. 15. Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybrideIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 2 / 29
  16. 16. Les machines électriques tournantes Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybrideIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 3 / 29
  17. 17. Les machines électriques tournantes Présentation Définition Dispositif électro-mécanique Énergie électrique −→ Énergie mécanique Moteur Énergie mécanique −→ Énergie électrique Génératrice Une seule et même machine : conversion dans les deux sens Réversibilité Les machines électriques tournantes peuvent fonctionner en moteurs et en génératrices : elles sont dites réversibles.IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 4 / 29
  18. 18. Les machines électriques tournantes Présentation Types de machines électriques tournantes Une machine électrique tournante peut fonctionner avec : du courant continu Machine à courant continu Moteur à courant continu Dynamo (génératrice à courant continu)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 5 / 29
  19. 19. Les machines électriques tournantes Présentation Types de machines électriques tournantes Une machine électrique tournante peut fonctionner avec : du courant continu Machine à courant continu Moteur à courant continu Dynamo (génératrice à courant continu) du courant alternatif, monophasé ou triphasé Machine synchrone Moteur synchrone Alternateur synchrone Machine asynchrone Moteur asynchrone Génératrice hypersynchroneIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 5 / 29
  20. 20. Les machines électriques tournantes Présentation Types de machines électriques tournantes Une machine électrique tournante peut fonctionner avec : du courant continu Machine à courant continu Moteur à courant continu Dynamo (génératrice à courant continu) du courant alternatif, monophasé ou triphasé Machine synchrone Moteur synchrone Alternateur synchrone Machine asynchrone Moteur asynchrone Génératrice hypersynchroneIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 5 / 29
  21. 21. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement Les lois de l’électromagnétisme Les machines électriques tournantes fonctionnent grâce à : La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) La loi de Laplace La loi de Faraday La loi de LenzIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 6 / 29
  22. 22. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement Les lois de l’électromagnétisme Les machines électriques tournantes fonctionnent grâce à : La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) La loi de Laplace La loi de Faraday La loi de Lenz PAS DE PANIQUE ! Dans ce cours : pas de calcul de champs magnétiques =⇒ Phénomènes physiques et leurs conséquencesIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 6 / 29
  23. 23. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) Énoncé → − Courant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique BIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 7 / 29
  24. 24. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) Énoncé → − Courant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique B En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r 2 ) Courant et champ de même nature → − Courant continu =⇒ B continu → − Courant alternatif =⇒ B alternatifIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 7 / 29
  25. 25. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) Énoncé → − Courant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique B En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r 2 ) Courant et champ de même nature → − Courant continu =⇒ B continu → − Courant alternatif =⇒ B alternatif Utilité On peut créer des champs magnétiques avec du courantIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 7 / 29
  26. 26. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Laplace Énoncé Un conducteur parcouru par un courantIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
  27. 27. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Laplace Énoncé Un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ magnétiqueIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
  28. 28. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Laplace Énoncé Un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ magnétique subit une force mécanique appelée force de LaplaceIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
  29. 29. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Laplace Énoncé Un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ magnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace Conducteur libre −→ mouvement Technologie −→ contrôle du mouvement Utilité On peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiquesIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
  30. 30. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Faraday Énoncé La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ. Qu’est-ce que cela veut dire ?IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
  31. 31. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Faraday Énoncé La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ. → − dφ B variable induit e variable e=− =⇒ → − dt B continu n’induit pas de f.é.mIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
  32. 32. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Faraday Énoncé La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ. → − dφ B variable induit e variable e=− =⇒ → − dt B continu n’induit pas de f.é.m Circuit fermé =⇒ naissance d’un courantIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
  33. 33. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Faraday Énoncé La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ. → − dφ B variable induit e variable e=− =⇒ → − dt B continu n’induit pas de f.é.m Circuit fermé =⇒ naissance d’un courant Utilité On peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide d’un champ magnétique variableIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
  34. 34. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Lenz Énoncé Le sens du courant induit est tel que, par ses effets électromagnétiques, il s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissanceIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 10 / 29
  35. 35. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Lenz Énoncé Le sens du courant induit est tel que, par ses effets électromagnétiques, il s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance Utilité Décrit la conservation de l’énergie et permet d’établir les sens des tensions et des courants induitsIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 10 / 29
  36. 36. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Lenz Énoncé Le sens du courant induit est tel que, par ses effets électromagnétiques, il s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance Utilité Décrit la conservation de l’énergie et permet d’établir les sens des tensions et des courants induits Rappel : convention générateur =⇒ e et I dans le même sensIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 10 / 29
  37. 37. Description d’une machine électrique tournante Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybrideIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 11 / 29
  38. 38. Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Éléments mécaniques stator arbre de transmission rotor entrefer Stator : partie fixe, statique Rotor : élément entrant en rotation Le rotor est lié à l’arbre de transmission Stator et rotor séparés par l’entreferIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 12 / 29
  39. 39. Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique Éléments électriques Deux circuits électriques, portés par le rotor et le stator : L’inducteur : Créé le champ magnétique Permet le transfert d’énergie rotor ⇐⇒ stator Courant iIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 13 / 29
  40. 40. Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique Éléments électriques Deux circuits électriques, portés par le rotor et le stator : L’inducteur : Créé le champ magnétique Permet le transfert d’énergie rotor ⇐⇒ stator Courant i L’induit : Siège de l’induction électromagnétique Expression des phénomènes physiques Création des nouvelles grandeurs (couple ou f.é.m + courant) Courant IIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 13 / 29
  41. 41. Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique Rôles des éléments Les rôles dépendent de la machine Selon la machine : stator = inducteur ou induit ! rotor = inducteur ou induit ! Pour une machine donnée : inducteur du moteur = inducteur de la génératrice induit du moteur = induit de la génératriceIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 14 / 29
  42. 42. Le parc de machines électriques Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybrideIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 15 / 29
  43. 43. Le parc de machines électriques Exemple de la traction Trains 3 types de machines utilisées : Machine à courant continu Machine synchrone Rotor tourne à la même vitesse que le champ inducteur Machine asynchrone Vitesse du rotor = vitesse du champ inducteur Choix Dépend des progrès techniquesIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 16 / 29
  44. 44. Le parc de machines électriques Exemple de la traction Les différents moteurs Compromis : coût et difficulté de la commande Moteur à courant continu Moteur synchrone Moteur asynchrone de fabrication et dentretien coût de la commande difficulté Tension et courant connexion directe possible Fréquence et courant TGV Sud-Est (orange), Fréquence Toyota Prius trains corails, etc. TGV TMST (Eurostar) TGV Atlantique Grandes machines industrielles Ventilateurs Lave-lingeIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 17 / 29
  45. 45. Le parc de machines électriques Exemple de la traction Les différents moteurs Compromis : coût et difficulté de la commande Moteur à courant continu Moteur synchrone Moteur asynchrone de fabrication et dentretien coût de la commande difficulté Tension et courant connexion directe possible Fréquence et courant TGV Sud-Est (orange), Fréquence Toyota Prius trains corails, etc. TGV TMST (Eurostar) TGV Atlantique Grandes machines industrielles Ventilateurs Lave-linge Même chose dans d’autres domainesIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 17 / 29
  46. 46. Le parc de machines électriques Robustesse des moteurs Robustesse Question pertinente Quelle est l’utilité d’apprendre le fonctionnement d’une autre machine que la machine asynchrone ?IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 18 / 29
  47. 47. Le parc de machines électriques Robustesse des moteurs Robustesse Question pertinente Quelle est l’utilité d’apprendre le fonctionnement d’une autre machine que la machine asynchrone ? 1 Machines robustes Solides et fiables Durent dans le temps Présentes longtemps dans le parc 2 Certains moteurs ne sont pas adaptés à certaines applications : Absurde d’utiliser un moteur synchrone dans un aspirateur Absurde d’utiliser une machine asynchrone comme alternateur d’automobileIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 18 / 29
  48. 48. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybrideIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 19 / 29
  49. 49. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Le choix d’un moteur Utilisation sédentaire : Bâtiments alimentés en électricité ; Moteur thermique : faire le plein ! Choix du moteur électrique évident Utilisation embarquée (automobile) : Stockage de l’énergie = problème ; Recharge plus lente que le plein de carburant ; Choix du moteur thermique plus simple Train : cas particulier Caténaire Pas de stockageIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 20 / 29
  50. 50. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Intérêt de l’électrique pour les automobiles Moteur électrique : grands intérêts pour l’automobile Rendements élevés Énergie “propre” Qualités mécanique : Fonctionnement basse vitesse Couple important (reprise) Indépendance énergétiqueIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 21 / 29
  51. 51. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le rendement η Cas d’un moteur de véhicule : Meilleurs moteurs diesel : moins de 50 % (typiquement 30 – 40 %) Meilleurs moteurs essence : moins de 30 % (typiquement 25 %) Moteurs électriques : plus de 90 % (toute technologie confondue) Avantage à l’électrique Le rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du moteur thermiqueIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 22 / 29
  52. 52. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le rendement η : Electrique 1 — Thermique 0 Cas d’un moteur de véhicule : Meilleurs moteurs diesel : moins de 50 % (typiquement 30 – 40 %) Meilleurs moteurs essence : moins de 30 % (typiquement 25 %) Moteurs électriques : plus de 90 % (toute technologie confondue) Avantage à l’électrique Le rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du moteur thermiqueIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 22 / 29
  53. 53. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ?IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  54. 54. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/LIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  55. 55. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  56. 56. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consomméeIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  57. 57. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heuresIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  58. 58. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heures par un ordinateur pendant une journéeIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  59. 59. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heures par un ordinateur pendant une journée par une ampoule classique pendant une semaineIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  60. 60. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heures par un ordinateur pendant une journée par une ampoule classique pendant une semaine par une ampoule économique pendant un moisIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  61. 61. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heures par un ordinateur pendant une journée par une ampoule classique pendant une semaine par une ampoule économique pendant un mois Avantage au thermique Les batteries prennent beaucoup de placeIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  62. 62. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le couple moteur Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W) Couple moteur thermique : ∼ 100 Nm déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 24 / 29
  63. 63. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le couple moteur Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W) Couple moteur thermique : ∼ 100 Nm déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max) Couple moteur électrique : ∼ 400 Nm Déployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 24 / 29
  64. 64. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le couple moteur : Electrique 2 — Thermique 1 Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W) Couple moteur thermique : ∼ 100 Nm déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max) Couple moteur électrique : ∼ 400 Nm Déployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle) Avantage à l’électrique Le moteur électrique déploie des couples plus élevés à faible vitesse =⇒ idéal pour le démarrage (ville)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 24 / 29
  65. 65. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité Grande force de la machine électriqueIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  66. 66. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité Grande force de la machine électrique Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice Véhicule en descente RalentissementIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  67. 67. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité Grande force de la machine électrique Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice Véhicule en descente Ralentissement Mouvement −→ puissance électrique Ralentissement Recharge de batterie Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  68. 68. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité Grande force de la machine électrique Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice Véhicule en descente Ralentissement Mouvement −→ puissance électrique Ralentissement Recharge de batterie Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.) Freinage par récupérationIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  69. 69. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité : Electrique 3 — Thermique 1 Grande force de la machine électrique Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice Véhicule en descente Ralentissement Mouvement −→ puissance électrique Ralentissement Recharge de batterie Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.) Freinage par récupération C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburantIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  70. 70. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le prix : Electrique 4 — Thermique 1 Prix de l’énergie : 1,45 euros pour 1 L de SP95 = 14,5 centimes par kWh Électricité (nucléaire) : en moyenne 11,5 centimes par kWh En plus : rendements très différents ! L’énergie électrique est moins chèreIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 26 / 29
  71. 71. Le véhicule hybride Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybrideIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 27 / 29
  72. 72. Le véhicule hybride Concilier les avantages Le problème du stockage est rédhibitoire Le problème de la recharge aussi MAIS la machine électrique a de très grands intérêts Solution Utiliser les deux en même temps Alternateurs très rentables (presque 100 %) =⇒ cela est donc possible !IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 28 / 29
  73. 73. Le véhicule hybride Fiche technique Moteur Thermique Type Essence – 1,5 L – 16 soupapes Cylindrée 1497 cm3 Puissance maximale 77 ch (57 kW) à 5000 tr/min Puissance fiscale 4 CV Couple maximal 115 Nm à 4000 tr/min Consommation (mixte) 4,3 L/100 km Moteur Électrique Type Synchrone, à aimant permanent Puissance maximale 68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mn Tension nominale 500 V Couple maximal 400 de 0 à 1200 tr/mn Fiche technique d’une Toyota Prius Linea SolIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 29 / 29
  74. 74. Le véhicule hybride Fiche technique Moteur Thermique Type Essence – 1,5 L – 16 soupapes Cylindrée 1497 cm3 Puissance maximale 77 ch (57 kW) à 5000 tr/min sous-dimensionné Puissance fiscale 4 CV Couple maximal 115 Nm à 4000 tr/min vitesse élevée Consommation (mixte) 4,3 L/100 km faible Moteur Électrique Type Synchrone, à aimant permanent Puissance maximale 68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mn plage Tension nominale 500 V Couple maximal 400 de 0 à 1200 tr/mn vitesse nulle Fiche technique d’une Toyota Prius Linea SolIUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 29 / 29

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