MEL-Poly-2021_Chp.1-Eléments de Machines Electriques (1).pdf

Dr. Mourad ZEGRARI
Département Génie Électrique
GEL-3001
MACHINES ÉLECTRIQUES
ÉLÉMENTS DE MACHINES
ÉLECTRIQUES
Automne 2021
Cycle Ingénieur
Génie Électrique
1
Chapitre

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.

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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.

Éléments de
© M. ZEGRARI
6
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

Éléments de
© M. ZEGRARI
7
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.

Éléments de
© 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

Éléments de
© M. ZEGRARI
9
Plan

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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).

Éléments de
© M. ZEGRARI
12
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

Éléments de
© M. ZEGRARI
13
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.

Éléments de
© M. ZEGRARI
14
Plan

Éléments de
© 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.

Éléments de
© 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]

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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

Éléments de
© M. ZEGRARI
19
Plan

Éléments de
© 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

Éléments de
© M. ZEGRARI
21
Moteurs d’entraînement
Moteurs CA
Moteurs CC

Éléments de
© M. ZEGRARI
22
Charges entraînées
Forme
généralisée :
Tr = kr n

Éléments de
© 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.

Éléments de
© M. ZEGRARI
24
Plan

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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.

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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.

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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)

Éléments de
© 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 .

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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)

Éléments de
© 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

Éléments de
© 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

MEL-Poly-2021_Chp.1-Eléments de Machines Electriques (1).pdf

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

Similaire à MEL-Poly-2021_Chp.1-Eléments de Machines Electriques (1).pdf

Similaire à MEL-Poly-2021_Chp.1-Eléments de Machines Electriques (1).pdf (20)

Dernier

Dernier (20)

MEL-Poly-2021_Chp.1-Eléments de Machines Electriques (1).pdf