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MEL-Poly-2021_Chp.1-Eléments de Machines Electriques (1).pdf
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1.
Dr. Mourad ZEGRARI Département
Génie Électrique GEL-3001 MACHINES ÉLECTRIQUES ÉLÉMENTS DE MACHINES ÉLECTRIQUES Automne 2021 Cycle Ingénieur Génie Électrique 1 Chapitre
2.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 2 Plan Classification des machines électriques. Principes de la conversion électromécanique. Caractéristiques des machines électriques. Étude des entraînements électromécaniques. Champ tournant dans les machines électriques.
3.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 3 Plan Classification des machines électriques Principes de la conversion électromécanique Caractéristiques des machines électriques Étude des entraînements électromécaniques Champ tournant dans les machines électriques
4.
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M. ZEGRARI 4 Conversion de l’Énergie Électrique Électronique de puissance Relais Transformateurs Rotatifs Linéaires Conversion Électronique Conversion Électromagnétique Moteurs Générateurs Transducteurs Conversion Statique Conversion Dynamique Machines Électriques
5.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 5 Intérêt des machines électriques Rendement élevé. Absence de pollution. Souplesse et rapidité de réglage. Réversibilité de fonctionnement. Couple et puissance massique élevés. Maintenance réduite.
6.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 6 Classification des machines électriques Aimants permanents Rotor bobiné Machines Synchrones Machines Asynchrones Machines à aimants Machines à excitation Machines spéciales Machines à Courant Alternatif Machines à Courant Continu Machines Électriques Électro-aimants Rotor à cage Rotor massif Séparée Parallèle Série Composée
7.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 7 Classification des machines électriques Machines à Courant Alternatif (MCA) Machines Synchrones : utilisées comme alternateurs (production de l'énergie électrique) ou comme compensateurs de l'énergie réactive. Machines Asynchrones : de construction simple, ces moteurs sont les plus utilisés en industrie, mais leur commande est complexe. Machines à Courant Continu (MCC) Elles offrent des performances remarquables avec des réglages simples et efficaces. Cependant, leur coût élevé et leur maintenance difficile limitent leur champ d'application. Machines Spéciales (MSP) Ces machines, de construction spéciale, sont essentiellement utilisées en robotique et dans les procédés d'automatisation et de régulation.
8.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 8 Domaines d’application Application Type de machines utilisées Production de l'énergie électrique Génératrices synchrones (jusqu'à 2000 MW) Compensateurs synchrones (300 MW) Traction électrique Transport ferroviaire (locomotive 4 MW) Transport maritime (30 MW) Transport sur roues (engins de travaux) Entraînements industriels Métallurgie (laminoirs) Industrie textile, chimique, papeterie Cimenteries (broyeurs) Pompes, compresseurs, ventilateurs Machines outils Mécatronique Système de positionnement, robotique Périphériques, horloges, photocopieurs, fax Aéronautique, Automobile Instrumentation Transducteurs, tachymètres Micro-actionneurs intégrés Relais, électro-aimants
9.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 9 Plan Classification des machines électriques Principes de la conversion électromécanique Caractéristiques des machines électriques Étude des entraînements électromécaniques Champ tournant dans les machines électriques
10.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 10 Principes de base Une machine électrique est un convertisseur électromécanique qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique et vice-versa. Fonctionnement Moteur : Conversion Électrique Mécanique. Exploitation de la force électrodynamique (Loi de Laplace). Fonctionnement Génératrice : Conversion Mécanique Électrique. Exploitation de la force électromotrice induite (Loi de Faraday). Machine Électrique Énergie Électrique Énergie Mécanique Moteur Génératrice
11.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 11 Éléments de la conversion électromécanique Toute conversion électromécanique nécessite les éléments suivants : Une induction magnétique, créée par l’enroulement de l’inducteur. Un courant circulant dans les enroulements de l’induit : siège des forces électromotrices induites. Il existe deux façons de créer une force électromotrice induite : Inducteur fixe : champ d’induction est constant, les conducteurs de l’enroulement induit sont mobiles (cas des machines CC). Inducteur mobile : champ d’induction est variable, les conducteurs de l’enroulement induit sont fixes (cas des machines synchrones).
12.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 12 Éléments de la conversion électromécanique La construction se réalise sur deux armatures cylindriques et coaxiales, contenant deux types d’enroulements : inducteur et induit. L’armature mobile est appelée rotor : elle transmet ou reçoit une puissance mécanique en présence d’un champ d’induction tournant. L’armature fixe est appelée stator : elle assure la fermeture des lignes d’induction canalisées par l’armature d’induit. Stator Rotor Entrefer Arbre
13.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 13 Éléments de la conversion électromécanique Fonctions magnétiques Création d’un champ radial : assurée par le circuit inducteur. Canalisation du flux : assurée par le circuit magnétique, elle comprend une partie fixe (stator) et une partie tournante (rotor). Fonctions électriques Production de la force électromotrice dans le stator. Circulation des courants dans les enroulements de l’induit. Fonctions mécaniques Support de guidage de la partie tournante : paliers. Protection des organes et des enroulements : carcasse. Refroidissement : ventilateur.
14.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 14 Plan Classification des machines électriques Principes de la conversion électromécanique Caractéristiques des machines électriques Étude des entraînements électromécaniques Champ tournant dans les machines électriques
15.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 15 Caractéristique de coût À puissance égale, on peut effecteur un classement par ordre de coût décroissant : 1. Machine cc : complexité de fabrication à cause du collecteur. 2. Machine Synchrone : système d’excitation au rotor. 3. Machine Asynchrone : le rotor à cage simple à réaliser. Ce classement s'explique par la technique de fabrication qui détermine le coût de la production. Comme le couple est proportionnel au volume, une machine de puissance donnée est d'autant plus petite et moins coûteuse que sa vitesse de rotation est élevée.
16.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 16 Caractéristique de sortie Elle représente les grandeurs de sortie qu’on désire exploiter : Mode Génératrice : grandeurs électriques (tension, courant). Mode Moteur : grandeurs mécaniques (couple, vitesse). Génératrice Moteur V : Tension aux bornes de la génératrice [V] : Vitesse de rotation du moteur [rad/s] I : Courant alimentant la charge [A] Tm : Couple moteur sur l'arbre [N.m] P = (V.I)moy : Puissance électrique [W] P = Tm. : Puissance mécanique [W]
17.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 17 Réversibilité En convention récepteur, la machine reçoit la puissance si : P = T. > 0 Moteur : quadrants Q1 et Q3 Génératrice : quadrants Q2 et Q4 Couple (T) Vitesse ( ) F F F F 1 2 1 2 Q4 Q3 Q1 Q2 Machine Sens : Droite Montée : Accélération Moteur Sens : Gauche Descente : Freinage Génératrice Sens : Droite Montée : Freinage Génératrice Sens : Gauche Descente : Accélération Moteur
18.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 18 Bilan énergétique et Rendement L’écoulement des puissances dans une machine électrique est : Le rendement de la machine s’écrit : = Pu Pa = Pu Pu + pertes = Pu Pu + pcu + pfer + pméc Puissance fournie (absorbée) Puissance exploitée (utilisée) Puissance perdue (pertes) Machine Électrique
19.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 19 Plan Classification des machines électriques Principes de la conversion électromécanique Caractéristiques des machines électriques Étude des entraînements électromécaniques Champ tournant dans les machines électriques
20.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 20 Équation fondamentale de l’entraînement Le moteur exerce un couple moteur Tm sur l’arbre. La charge exerce sur le même arbre un couple résistant Tr. L’entraînement suit la relation fondamentale : Moteur d’entraînement Couple Moteur Tm Couple Résistant Tr Vitesse de Rotation Charge entraînée Si : Tm = Tr = Cte Entraînement en équilibre Tm − Tr = J d dt
21.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 21 Moteurs d’entraînement Moteurs CA Moteurs CC
22.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 22 Charges entraînées Forme généralisée : Tr = kr n
23.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 23 Stabilité d’un entraînement Nous distinguons deux cas d’entraînements électromécaniques : ks > 0 : point d'équilibre stable. ks < 0 : point d'équilibre instable. ks = 0 : point d'équilibre astable. ks = d Tr − Tm d =eq Équilibre stable. Équilibre instable.
24.
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M. ZEGRARI 24 Plan Classification des machines électriques Principes de la conversion électromécanique Caractéristiques des machines électriques Étude des entraînements électromécaniques Champ tournant dans les machines électriques
25.
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M. ZEGRARI 25 Force magnétomotrice Les courants électriques sont une source de champ magnétique : Ce phénomène est formalisé par le théorème d’Ampère : N S F N S F H F I F = nI = (C) H ∙ dℓ
26.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 26 F.m.m. d’une phase : cas d’une bobine La force magnétomotrice s’écrit : F = ± nI 2 F.m.m. résultante périodique. Harmoniques de fréquences élevées (pertes magnétiques). Production d’une f.é.m. non sinusoïdale. I F() + (nI/2) + (/2) - (nI/2) - (/2) On considère une bobine de n spires, parcourue par un courant électrique d’intensité I.
27.
Éléments de Machines Électriques ©
M. ZEGRARI 27 F.m.m. d’une phase : cas de sous-bobines On divise la bobine en plusieurs sous-bobines : Effets des encoches : La courbe F() est plus proche de la sinusoïde. La valeur efficace de la f.m.m. est réduite : Coefficient de bobinage. F() (nI/2) 2 (nI/6) 0 F.m.m. initiale à 2 encoches
28.
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M. ZEGRARI 28 Bobinage d’une machine tournante Le bobinage de stator d’une machine électrique tournante est réalisé de la manière suivante : Encoches du stator Section de bobine
29.
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M. ZEGRARI 29 Production du champ tournant La production des f.m.m. tournantes peut être réalisée par : Des aimants permanents en mouvement. Des électroaimants, constitués par des enroulements parcourus par un courant continu, et entraînés en mouvement. Un bobinage polyphasé alimenté par un système polyphasé de courants alternatifs de même pulsation. Le couple électromagnétique qui s'exerce entre le stator et le rotor est dû à l'interaction de leurs forces magnétomotrices.
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M. ZEGRARI 30 Procédé dynamique Nous entraînons en rotation un aimant ou un électroaimant. L’énergie fournie au système est mécanique. Inducteurs à électro-aimant : Électroaimant à pôles lisses Aimant en fer à cheval Aimant permanent Électroaimant à pôles saillants S S N N Inducteur à pôles saillants S2 N1 S1 N2 Inducteur à pôles lisses
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M. ZEGRARI 31 Procédé statique Ce procédé emploi des bobines fixes réparties d’une façon régulière dans l’espace et alimentés par un système polyphasé. L'énergie fournie au système est électrique. Système de courants : iA t = I 2 cos t iB t = I 2 cos t − 2 3 iC t = I 2 cos t − 4 3 θ iA A B C iB iC M (A) (B) (C)
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M. ZEGRARI 32 Théorème de Ferraris En un point M, décalé de par rapport à l’enroulement (a), ces courants triphasés créent des f.m.m. triphasés : FA t = nI 2 cos t cos FB t = nI 2 cos t − 2 3 cos 2 3 − FC t = nI 2 cos t − 4 3 cos 4 3 − La f.m.m. résultante est telle que : FM t = FA t + FB t + FC t = 3 2 nI 2 cos t − Nous créons une f.m.m. tournante d'amplitude constante et qui tourne à une vitesse angulaire .
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M. ZEGRARI 33 p = 2 La vitesse de rotation ns du champ tournant est : Vitesse du champ tournant en (tr/s) Fréquence des courants au stator (Hz) Vitesse du champ tournant ns = 1 2Ts = fs 2
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M. ZEGRARI 34 p (quelconque) La vitesse de rotation ns du champ tournant est : Vitesse du champ tournant ns = fs p Vitesse du champ tournant en (tr/s) Fréquence des courants au stator (Hz)
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M. ZEGRARI Vitesse de synchronisme La machine synchrone est caractérisée par sa vitesse constante : s = 2 ns : Vitesse de rotation synchrone (rad/s) s = 2 fs : Pulsation des courants induits (rad/s) p : Nombre de paires de pôles. La vitesse du rotor est souvent indiquée en tr/min : : Vitesse de synchronisme. Ns(tr/min) = 60 × ns(tr/s) = 60 × fs p s = s p 36
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M. ZEGRARI 36 Aspects du champ tournant Nous produisons un champ tournant à la vitesse s : L’aiguille aimantée tourne à la même vitesse : = s Le mouvements est Synchrone. Le disque métallique tourne à une vitesse inférieure : < s Le mouvement est dit Asynchrone. On définit le glissement : s Aiguille aimantée Disque métallique g = s − s = r s
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