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PROGRAMME DE MACHINES ELECTRIQUES Dénomination : LAGE 301 ou UEF51 Nombre de cr

PROGRAMME DE MACHINES ELECTRIQUES Dénomination : LAGE 301 ou UEF51 Nombre de crédits : 08 Coefficient : 04 Chapitre I Notions de base de l'Electrotechnique 1.- Courant alternatif monophasé 2.- Courant alternatif triphasé 3.- Propriétés élémentaires du circuit magnétique 4.- Champ tournant. Diagrammes spatio-temporels Chapitre II Transformateur 1.- Généralités 2.- Transformateur monophasé à deux enroulements 3.- Transformateur à plus de deux enroulements 4.- Transformateur triphasé 5.- Compléments Chapitre III Moteur à courant continu 1.- Machine à courant continu bipolaire 2.- Création du champ inducteur 3.- Raccordement des conducteurs; collecteur 4.- Calcul de la force électromotrice et du couple 5.- Particularités de fonctionnement 6.- Relations générales en fonctionnement moteur 7.- Les différents modes d'excitation 8.- Fonctionnement en génératrice: freinage 9.- Fonction de transfert, 10.- Compléments Chapitre IV Machines synchrones 1.- Généralités 2.- Théorie du fonctionnement en alternateur 3.- Etude des différents types de fonctionnement 4.- Paramètres caractéristiques 5.- Compléments Chapitre V Moteur asynchrone 1- Principe de fonctionnement. Champ tournant 2.- Vitesses et pulsations 3.- Mise en équations et schéma monophasé équivalent 4.- Caractéristique mécanique 5.- Diagramme du cercle simplifié 6.- Fonctionnement en génératrice et en frein 7.- Les différentes sortes de moteurs à cage 8.- Grandeurs caractéristiques 9.- Démarrage des moteurs asynchrones 10.- Réglage de vitesse des moteurs asynchrones 11.- Compléments PROPRIETES ELEMENTAIRES DU CIRCUIT MAGNETIQUE I INTRODUCTION Le principe de fonctionnement des machines électriques est basé sur l'interaction entre le champ magnétique et le champ électrique. Les performances associées au champ magnétique sont considérablement accrues par l'utilisation de matériaux magnétiques mis en œuvre dans des structures appelées circuits magnétiques. Les propriétés des circuits magnétiques s'étudient de façon simple à partir de deux lois directement dérivées des équations de Maxwell: La perméabilité est la faculté que possède un matériau à canaliser le champ magnétique, c’est à dire à concentrer les lignes de champ du spectre magnétique ou à augmenter la valeur de l’induction magnétique. LE CIRCUIT MAGNETIQUE On sait qu’un circuit électrique est un système matériel dans lequel on est capable : • de contrôler de l'énergie (l'énergie électrique) • de la guider d'une source (la pile) vers des récepteurs (des lampes à incandescence) Pour guider cette énergie électrique, qui est liée à un flux d'électrons, on utilise un matériau qui est un bon conducteur d'électricité (par exemple un fil de cuivre). Pour se déplacer, les électrons vont choisir bien évidemment le chemin le plus facile, c'est-à-dire suivre les fils de cuivre pour aller d'un point à un autre. La philosophie pour un circuit magnétique est la même : • On cherche à transporter de l'énergie sous forme magnétique. • Cette énergie magnétique est reliée aux lignes du champ . • Pour canaliser ces lignes de champ, on a besoin d'un matériau avec une grande perméabilité magnétique. Ce sont très souvent des métaux. • Pour injecter de l'énergie dans le circuit magnétique, on va procéder par induction, c'est-à-dire que l'on va enrouler des bobines autour du matériau formant le circuit pour créer une source. Lorsqu'on fait circuler un certain courant dans la bobine, on excite le circuit en générant un certain champ . Si la perméabilité µ est choisie très grande par rapport à la perméabilité de l'air, les lignes du champ induit seront canalisées dans le circuit magnétique, d'où la circulation d'un certain flux . 3 Section (ou nature de matériau) non constante: éléments en série Etant donné un circuit magnétique comportant trois tronçons de différentes substances supposées traversés par le même flux. Dans l'application du théorème d'Ampère, on peut fractionner la circulation du champ en plusieurs tronçons : 3 3 3 1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 3 3 0 1 0 2 0 3 0 1 1 0 2 2 0 3 3 . . r r r r r r B l l B l B l l l n i H l H l H l S S S µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ ⎛ ⎞ = + + = + + = + + Φ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 1 1 2 2 3 3 avec B S B S B S Φ = = = La réluctance totale apparaît comme la somme des réluctances partielles : 1 2 3 ℜ= ℜ+ ℜ+ ℜ ⇒ Les réluctances en série s'ajoutent Entre les emplacements A et B on peut caractériser la différence de potentiel magnétique (d.p.m.): mA mB 1 1 1 v v H l − = = ℜΦ Soit encore l'analogue électrique : A B C C ℜ3 Eléments en parallèle On démontrerait sans peine, en utilisant cette fois la conservation du flux, que la réluctance équivalente ℜ à l'ensemble de deux portions de circuit magnétique en parallèle de réluctances ℜ1 et ℜ2 est telle que: 1 2 1 1 1 = + ℜ ℜ ℜ 3.3 3.4 Fuites magnétiques Dans les machines électriques on veut généralement faire passer un flux C» dans une région de circuit magnétique, au moyen d'Ampères-tours ni disposés dans une autre région. Cette situation est illustrée très schématiquement figure 1 - 27. Dans l'air entre ces deux régions l'induction n'est pas tout à fait nulle et un certain flux φf y est dérivé. La f.m.m. ni doit donc créer un flux: φ1 = φ + φf donc φ < φ1 Le flux de fuites φf peut être caractérisé par le quotient ni/ φf = ℜf, réluctance de fuites, sensiblement constante puisque la perméabilité de l'air est constante. L'analogie électrique est donnée par cette figure : ℜ étant la réluctance associée au flux Φ. Les fuites peuvent également être caractérisées par le coefficient de dispersion: f f ℜ + ℜ ℜ = = 1 φ ϕ σ (1-34) Dans le cas d'un circuit magnétique sans entrefer et non saturé, σ est très faible, de l'ordre de 10-3, du fait que ℜ/ℜf ≈ 10-3; on peut alors se contenter d'écrire : f ℜ ℜ = σ . Dans le cas des machines tournantes, σ est généralement de l'ordre de 10-1 (Voir TD) Exemple : - Trouver le schéma équivalent du circuit magnétique suivant. - Calculer σ INDUCTANCE DE FUITE D’après la figure précédente, le flux propre : φ1 = φf + φ On associe alors au flux de fuite φf une inductance de fuite : ℓf = n φf /i = n2/ℜf Influence de la saturation Dans les matériaux magnétiques usuels, la loi B(H) a l'allure : Les relations établies au paragraphe précédent restent toujours valables, du fait que !e théorème d'Ampère et la conservation du flux d'induction ne sont pas affectés par la saturation, la non-linéarité apparaît au niveau de la relation entre B et H. La saturation a pour effet de diminuer la perméabilité du fer, donc d'augmenter la réluctance des portions de circuit ferromagnétiques, d'où: - Augmentation des Ampères-tours nécessaires pour créer le flux; - Augmentation relative des fuites, c'est-à-dire du coefficient de dispersion. 1 II- LE TRANSFORMATEUR 1 Généralités sur le transformateur a) Qu’est-ce qu’un transformateur ? Un transformateur a pour but de modifier les amplitudes des grandeurs électriques alternatives : il transforme des signaux de tension et de courant de fréquence donnée en signaux de même fréquence mais de valeurs efficaces différentes. L’une des particularités du transformateur est qu’il a un rendement très élevé, souvent proche de 100 % : dans les gros transformateurs, on a moins de 1 % de pertes. Pour simplifier, nous ne considérerons ici que le cas du transformateur monophasé, mais les principes physiques abordés s’appliquent aussi au cas du transformateur triphasé. b) Pourquoi utiliser un transformateur ? Le transformateur joue un rôle important dans le transport et la distribution de l’énergie électrique. En effet, si l’on s’intéresse aux pertes en ligne lors d’un transport de puissance électrique, et plus particulièrement aux pertes Joule, ces-dernières sont, quelque soit le conducteur, d’autant plus importantes que le courant électrique est élevé. Or, à puissance transportée constante, l’utilisation d’une tension plus élevée implique un courant électrique plus faible puisque, d’une manière générale et quelque soit le nombre de phases utilisées, la puissance électrique Pelec est proportionnelle au produit de la tension V par le courant I : Pelec α V × I De fait, afin de limiter au maximum les pertes en ligne, il faut transporter un courant aussi faible que possible quand les distances deviennent importantes, le transport de l’énergie électrique ne peut se faire qu’à très haute tension. Il est donc nécessaire d’élever la tension fournie par les générateurs avant de la transporter, et pour cela d’utiliser des transformateurs. En résumé, le transformateur permet à l’énergie électrique d’être transportée à longue distance de façon économique et distribuée dans les industries et les habitations. c) Constitution d’un transformateur monophasé Comme nous pouvons le voir sur la figure 2.1, un transformateur monophasé est constitué : – d’un circuit magnétique fermé ; – de deux circuits électriques sans liaison entre eux, enroulés autour du circuit magnétique. 2 Le circuit électrique lié au générateur est appelé le circuit primaire, celui qui est lié au récepteur est appelé uploads/Industriel/ cours-complet-machines-electriques.pdf