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Les machines électriques Électricité 2 — Électrotechnique Christophe Palermo IUT de Montpellier Département Mesures Physiques & Institut d’Electronique du Sud Université Montpellier 2 e-mail : [email protected] Année Universitaire 2009–2010 MONTPELLIER

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Les machines électriquesÉlectricité 2 — Électrotechnique

Christophe Palermo

IUT de MontpellierDépartement Mesures Physiques

&Institut d’Electronique du Sud

Université Montpellier 2e-mail : [email protected]

Année Universitaire 2009–2010

MONTPELLIER

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Plan

1 Les machines électriques tournantesPrésentationPrincipe de fonctionnement

2 Description d’une machine électrique tournantePoint de vue mécaniquePoint de vue électrique

3 Le parc de machines électriquesExemple de la tractionRobustesse des moteurs

4 Moteurs électriques contre moteurs thermiquesLe choix d’un moteurGrandeurs physiques et performances

5 Le véhicule hybride

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Les machines électriques tournantes

Plan

1 Les machines électriques tournantesPrésentationPrincipe de fonctionnement

2 Description d’une machine électrique tournantePoint de vue mécaniquePoint de vue électrique

3 Le parc de machines électriquesExemple de la tractionRobustesse des moteurs

4 Moteurs électriques contre moteurs thermiquesLe choix d’un moteurGrandeurs physiques et performances

5 Le véhicule hybride

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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

RéversibilitéLes machines électriques tournantes peuvent fonctionner en moteurs eten génératrices : elles sont dites réversibles.

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Les machines électriques tournantes Présentation

Types de machines électriques tournantes

Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :du courant continu

! Machine à courant continuMoteur à courant continuDynamo (génératrice à courant continu)

du courant alternatif, monophasé ou triphasé! Machine synchrone

Moteur synchroneAlternateur synchrone

! Machine asynchroneMoteur asynchroneGénératrice hypersynchrone

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Les machines électriques tournantes Présentation

Types de machines électriques tournantes

Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :du courant continu

! Machine à courant continuMoteur à courant continuDynamo (génératrice à courant continu)

du courant alternatif, monophasé ou triphasé! Machine synchrone

Moteur synchroneAlternateur synchrone

! Machine asynchroneMoteur asynchroneGénératrice hypersynchrone

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Les machines électriques tournantes Présentation

Types de machines électriques tournantes

Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :du courant continu

! Machine à courant continuMoteur à courant continuDynamo (génératrice à courant continu)

du courant alternatif, monophasé ou triphasé! Machine synchrone

Moteur synchroneAlternateur synchrone

! Machine asynchroneMoteur asynchroneGénératrice hypersynchrone

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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 =# Phénomènesphysiques et leurs conséquences

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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 =# Phénomènesphysiques et leurs conséquences

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)

ÉnoncéCourant dans un conducteur =# Champ d’induction magnétique !"B

En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r2)

Courant et champ de même natureCourant continu =#

!"B continuCourant alternatif =#

!"B alternatif

UtilitéOn peut créer des champs magnétiques avec du courant

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)

ÉnoncéCourant dans un conducteur =# Champ d’induction magnétique !"B

En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r2)

Courant et champ de même natureCourant continu =#

!"B continuCourant alternatif =#

!"B alternatif

UtilitéOn peut créer des champs magnétiques avec du courant

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)

ÉnoncéCourant dans un conducteur =# Champ d’induction magnétique !"B

En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r2)

Courant et champ de même natureCourant continu =#

!"B continuCourant alternatif =#

!"B alternatif

UtilitéOn peut créer des champs magnétiques avec du courant

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Laplace

ÉnoncéUn conducteur parcouru par un courant

et plongé dans un champmagnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace

Conducteur libre !" mouvement

Technologie !" contrôle du mouvement

UtilitéOn peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Laplace

ÉnoncéUn conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champmagnétique

subit une force mécanique appelée force de Laplace

Conducteur libre !" mouvement

Technologie !" contrôle du mouvement

UtilitéOn peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Laplace

ÉnoncéUn conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champmagnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace

Conducteur libre !" mouvement

Technologie !" contrôle du mouvement

UtilitéOn peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Laplace

ÉnoncéUn conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champmagnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace

Conducteur libre !" mouvement

Technologie !" contrôle du mouvement

UtilitéOn peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Faraday

ÉnoncéLa force électromotrice e induite dans un circuit sous l’e!et d’un champmagnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique !.

Qu’est-ce que cela veut dire ?

e = !d!dt =#

! !"B variable induit e variable!"B continu n’induit pas de f.é.m

! Circuit fermé =# naissance d’un courant

UtilitéOn peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide

d’un champ magnétique

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Faraday

ÉnoncéLa force électromotrice e induite dans un circuit sous l’e!et d’un champmagnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique !.

e = !d!dt =#

! !"B variable induit e variable!"B continu n’induit pas de f.é.m

! Circuit fermé =# naissance d’un courant

UtilitéOn peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide

d’un champ magnétique

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Faraday

ÉnoncéLa force électromotrice e induite dans un circuit sous l’e!et d’un champmagnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique !.

e = !d!dt =#

! !"B variable induit e variable!"B continu n’induit pas de f.é.m

! Circuit fermé =# naissance d’un courant

UtilitéOn peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide

d’un champ magnétique

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Faraday

ÉnoncéLa force électromotrice e induite dans un circuit sous l’e!et d’un champmagnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique !.

e = !d!dt =#

! !"B variable induit e variable!"B continu n’induit pas de f.é.m

! Circuit fermé =# naissance d’un courant

UtilitéOn peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide

d’un champ magnétique

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Lenz

ÉnoncéLe sens du courant induit est tel que, par ses e!ets électromagnétiques, ils’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance

UtilitéDécrit 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 sens

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Lenz

ÉnoncéLe sens du courant induit est tel que, par ses e!ets électromagnétiques, ils’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance

UtilitéDécrit 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 sens

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Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement

La loi de Lenz

ÉnoncéLe sens du courant induit est tel que, par ses e!ets électromagnétiques, ils’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance

UtilitéDécrit 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 sens

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Description d’une machine électrique tournante

Plan

1 Les machines électriques tournantesPrésentationPrincipe de fonctionnement

2 Description d’une machine électrique tournantePoint de vue mécaniquePoint de vue électrique

3 Le parc de machines électriquesExemple de la tractionRobustesse des moteurs

4 Moteurs électriques contre moteurs thermiquesLe choix d’un moteurGrandeurs physiques et performances

5 Le véhicule hybride

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Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique

Éléments mécaniques

stator

rotor

entrefer

arbre de transmission

Stator : partie fixe, statiqueRotor : élément entrant en rotationLe rotor est lié à l’arbre de transmissionStator et rotor séparés par l’entrefer

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Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique

Éléments électriques

Deux circuits électriques :

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 I

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Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique

Éléments électriques

Deux circuits électriques :

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 I

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Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique

Rôles des éléments

Les rôles dépendent de la machineSelon la machine :

stator = inducteur ou induit !rotor = inducteur ou induit !

Pour une machine donnée :inducteur du moteur = inducteur de la génératriceinduit du moteur = induit de la génératrice

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Le parc de machines électriques

Plan

1 Les machines électriques tournantesPrésentationPrincipe de fonctionnement

2 Description d’une machine électrique tournantePoint de vue mécaniquePoint de vue électrique

3 Le parc de machines électriquesExemple de la tractionRobustesse des moteurs

4 Moteurs électriques contre moteurs thermiquesLe choix d’un moteurGrandeurs physiques et performances

5 Le véhicule hybride

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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

ChoixDépend des progrès techniques

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Le parc de machines électriques Exemple de la traction

Les di!érents moteurs

Compromis : coût et di!culté de la commande

coût

de fa

bric

atio

net

d'e

ntre

tien

difficultéde la com

mande

+

+

Moteur à courant continu Moteur

synchroneMoteur

asynchrone

Tension et courantconnexion directe possible

TGV Sud-Est (orange), trains corails, etc.

Fréquence et courantToyota Prius

TGV AtlantiqueGrandes machines industrielles

FréquenceTGV TMST (Eurostar)

VentilateursLave-linge

Même chose dans d’autres domaines

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Le parc de machines électriques Exemple de la traction

Les di!érents moteurs

Compromis : coût et di!culté de la commande

coût

de fa

bric

atio

net

d'e

ntre

tien

difficultéde la com

mande

+

+

Moteur à courant continu Moteur

synchroneMoteur

asynchrone

Tension et courantconnexion directe possible

TGV Sud-Est (orange), trains corails, etc.

Fréquence et courantToyota Prius

TGV AtlantiqueGrandes machines industrielles

FréquenceTGV TMST (Eurostar)

VentilateursLave-linge

Même chose dans d’autres domaines

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Le parc de machines électriques Robustesse des moteurs

Robustesse

" Question pertinenteQuelle est l’utilité d’apprendre le fonctionnement d’une autre machine quela machine asynchrone ?

1 Machines robustesSolides et fiablesDurent dans le tempsPrésentes 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’automobile

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques

Plan

1 Les machines électriques tournantesPrésentationPrincipe de fonctionnement

2 Description d’une machine électrique tournantePoint de vue mécaniquePoint de vue électrique

3 Le parc de machines électriquesExemple de la tractionRobustesse des moteurs

4 Moteurs électriques contre moteurs thermiquesLe choix d’un moteurGrandeurs physiques et performances

5 Le véhicule hybride

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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 particulierCaténairePas de stockage

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur

Intérêt de l’électrique pour les automobiles

Moteur électrique : grands intérêts pour l’automobileRendements élevés

Énergie “propre”

Qualités mécanique :Fonctionnement basse vitesseCouple important (reprise)

Indépendance énergétique

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

Le rendement !

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’électriqueLe rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du

moteur thermique

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

Le rendement !

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’électriqueLe rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du

moteur thermique

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La densité d’énergie

QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans unaccumulateur d’un litre ?

1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/LUne batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)10 kWh = énergie énorme = énergie consommée

par un lave-linge pendant trois heurespar un ordinateur pendant une journéepar une ampoule classique pendant une semainepar une ampoule économique pendant un mois

Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La densité d’énergie

QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans unaccumulateur 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 heurespar un ordinateur pendant une journéepar une ampoule classique pendant une semainepar une ampoule économique pendant un mois

Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La densité d’énergie

QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans unaccumulateur d’un litre ?

1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/LUne batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)

10 kWh = énergie énorme = énergie consommée

par un lave-linge pendant trois heurespar un ordinateur pendant une journéepar une ampoule classique pendant une semainepar une ampoule économique pendant un mois

Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La densité d’énergie

QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans unaccumulateur d’un litre ?

1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/LUne batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)10 kWh = énergie énorme = énergie consommée

par un lave-linge pendant trois heurespar un ordinateur pendant une journéepar une ampoule classique pendant une semainepar une ampoule économique pendant un mois

Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La densité d’énergie

QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans unaccumulateur d’un litre ?

1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/LUne 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 journéepar une ampoule classique pendant une semainepar une ampoule économique pendant un mois

Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La densité d’énergie

QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans unaccumulateur d’un litre ?

1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/LUne batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)10 kWh = énergie énorme = énergie consommée

par un lave-linge pendant trois heurespar un ordinateur pendant une journée

par une ampoule classique pendant une semainepar une ampoule économique pendant un mois

Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La densité d’énergie

QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans unaccumulateur d’un litre ?

1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/LUne batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)10 kWh = énergie énorme = énergie consommée

par un lave-linge pendant trois heurespar un ordinateur pendant une journéepar une ampoule classique pendant une semaine

par une ampoule économique pendant un mois

Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La densité d’énergie

QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans unaccumulateur d’un litre ?

1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/LUne batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)10 kWh = énergie énorme = énergie consommée

par un lave-linge pendant trois heurespar un ordinateur pendant une journéepar une ampoule classique pendant une semainepar une ampoule économique pendant un mois

Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La densité d’énergie

QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans unaccumulateur d’un litre ?

1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/LUne batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)10 kWh = énergie énorme = énergie consommée

par un lave-linge pendant trois heurespar un ordinateur pendant une journéepar une ampoule classique pendant une semainepar une ampoule économique pendant un mois

Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place

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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 Nmdéployé à grande vitesse (& 4000 tr/min, près de la vitesse max)

Couple moteur électrique :& 400 NmDéployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle)

Avantage à l’électriqueLe moteur électrique déploie des couples plus élevés à faible vitesse

=# idéal pour le démarrage (ville)

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 24 / 29

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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 Nmdéployé à grande vitesse (& 4000 tr/min, près de la vitesse max)

Couple moteur électrique :& 400 NmDéployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle)

Avantage à l’électriqueLe moteur électrique déploie des couples plus élevés à faible vitesse

=# idéal pour le démarrage (ville)

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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 Nmdéployé à grande vitesse (& 4000 tr/min, près de la vitesse max)

Couple moteur électrique :& 400 NmDéployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle)

Avantage à l’électriqueLe moteur électrique déploie des couples plus élevés à faible vitesse

=# idéal pour le démarrage (ville)

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La réversibilité

Grande force de la machine électrique

Moteur qui ne travaille pas =# génératriceVéhicule en descenteRalentissement

Mouvement !" puissance électriqueRalentissementRecharge de batterieRenvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)

Freinage par récupération

$ C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 25 / 29

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La réversibilité

Grande force de la machine électrique

Moteur qui ne travaille pas =# génératriceVéhicule en descenteRalentissement

Mouvement !" puissance électriqueRalentissementRecharge de batterieRenvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)

Freinage par récupération

$ C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 25 / 29

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La réversibilité

Grande force de la machine électrique

Moteur qui ne travaille pas =# génératriceVéhicule en descenteRalentissement

Mouvement !" puissance électriqueRalentissementRecharge de batterieRenvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)

Freinage par récupération

$ C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 25 / 29

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La réversibilité

Grande force de la machine électrique

Moteur qui ne travaille pas =# génératriceVéhicule en descenteRalentissement

Mouvement !" puissance électriqueRalentissementRecharge de batterieRenvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)

Freinage par récupération

$ C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 25 / 29

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

La réversibilité

Grande force de la machine électrique

Moteur qui ne travaille pas =# génératriceVéhicule en descenteRalentissement

Mouvement !" puissance électriqueRalentissementRecharge de batterieRenvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)

Freinage par récupération

$ C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 25 / 29

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances

Le prix

Prix de l’énergie :

1,25 euros pour 1 L d’essence = 12,5 centimes par kWh

Électricité (nucléaire) : 11 centimes par kWh (7 en HC)

En plus : rendements très di!érents !

L’énergie électrique est moins chère

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 26 / 29

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Le véhicule hybride

Plan

1 Les machines électriques tournantesPrésentationPrincipe de fonctionnement

2 Description d’une machine électrique tournantePoint de vue mécaniquePoint de vue électrique

3 Le parc de machines électriquesExemple de la tractionRobustesse des moteurs

4 Moteurs électriques contre moteurs thermiquesLe choix d’un moteurGrandeurs physiques et performances

5 Le véhicule hybride

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 27 / 29

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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

SolutionUtiliser les deux en même temps

Alternateurs très rentables (presque 100 %) =# cela est donc possible !

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 28 / 29

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Le véhicule hybride

Fiche technique

Moteur ThermiqueType Essence – 1,5 L – 16 soupapes

Cylindrée 1497 cm3

Puissance maximale 77 ch (57 kW) à 5000 tr/minPuissance fiscale 4 CVCouple maximal 115 Nm à 4000 tr/min

Consommation (mixte) 4,3 L/100 km

Moteur ÉlectriqueType Synchrone, à aimant permanent

Puissance maximale 68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mnTension nominale 500 VCouple maximal 400 de 0 à 1200 tr/mnFiche technique d’une Toyota Prius Linea Sol

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 29 / 29

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Le véhicule hybride

Fiche technique

Moteur ThermiqueType Essence – 1,5 L – 16 soupapes

Cylindrée 1497 cm3

Puissance maximale 77 ch (57 kW) à 5000 tr/min sous-dimensionnéPuissance fiscale 4 CVCouple maximal 115 Nm à 4000 tr/min vitesse élevée

Consommation (mixte) 4,3 L/100 km faible

Moteur ÉlectriqueType Synchrone, à aimant permanent

Puissance maximale 68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mn plageTension nominale 500 VCouple maximal 400 de 0 à 1200 tr/mn vitesse nulle

Fiche technique d’une Toyota Prius Linea Sol

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2009–2010 29 / 29

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La machine à courant continuÉlectricité 2 — Électrotechnique

Christophe Palermo

IUT de MontpellierDépartement Mesures Physiques

&Institut d’Electronique du Sud

Université Montpellier 2e-mail : [email protected]

Année Universitaire 2009–2010

MONTPELLIER

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Plan

1 Présentation et FonctionnementPrincipe de fonctionnementNécessité d’un collecteur

2 Technologie de la machineCircuits électriquesLe collecteur et les balais

3 Fonctionnement de la machineCaractéristiques électriques

4 Fonctionnement moteur

5 Fonctionnement en génératrice

6 Bilan

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 2 / 34

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Présentation et Fonctionnement

Plan

1 Présentation et FonctionnementPrincipe de fonctionnementNécessité d’un collecteur

2 Technologie de la machineCircuits électriquesLe collecteur et les balais

3 Fonctionnement de la machineCaractéristiques électriques

4 Fonctionnement moteur

5 Fonctionnement en génératrice

6 Bilan

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 3 / 34

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Présentation et Fonctionnement

Définition

La machine à courant continuUne machine à courant continu est une machine électrique tournante

mettant en jeu des tensions et des courants continus.

2 tensions : induit U et inducteur u2 courants : induit I et inducteur i

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 4 / 34

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Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement

Les rails de Laplace : génération de f.é.m

x

L

x+dx

NM

P O

B eV

MN et PO fixes et NO mobile!"B constant et uniforme

Variation de surface =# d!

e = !d!dt

Mesurable avec un voltmètre

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 5 / 34

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Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement

Les rails de Laplace : génération de f.é.m

x

L

x+dx

NM

P O

B eV

e = !BLv

|e| " quand B " ;|e| " quand |v | " ;!#B change de sens =$ e change de signe ;!#v change de sens, e change de signe

Même principe dans une génératrice

Ampèremètre =$ courantIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 6 / 34

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Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement

Les rails de Laplace : mise en mouvement

NM

P O

B FE

I

I

I

MN et PO fixes et NO mobile!"B constant et uniformeE tension continueCirculation d’un courant

Force de Laplace !"F =# Créationd’un mouvement(ou flux maximum)

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 7 / 34

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Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement

Les rails de Laplace : mise en mouvement

NM

P O

B FE

I

I

I

F = ILB

F ! quand B ! ;F ! quand I ! ;"#B change de sens =$

"#F et "#v changent de sensE change de sens, I et "#v changent de sens

Même principe dans un moteur

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 8 / 34

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Présentation et Fonctionnement Principe de fonctionnement

Le cadre tournant

I

B

Rotation !" lois de Faraday et de Laplace!"B champ d’induction continuOn impose le mouvement =# Faraday =# GénératriceOn injecte un courant =# Laplace =# Moteur

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 9 / 34

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Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur

Problématique

Exemple du moteur :

I

B

FF’

!"B # plan du cadre =$ couple nul =$ pas de mouvementLe cadre s’arrête au bout d’un demi-tourOn n’a que du courant continu !

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 10 / 34

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Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur

La solution

F

B

F

I

(a) (b) (c)

F

B

F

IF

B

F

I

Changer le sens du courantChanger le sens du champ

Plusieurs cadres dans une MCC

Que du courant continuCollecteur : dispositifd’inversion

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 11 / 34

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Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur

La solution

F

B

F

I

(a) (b) (c)

F

B

F

IF

B

F

I

Changer le sens du courantChanger le sens du champ

Plusieurs cadres dans une MCC

Que du courant continuCollecteur : dispositifd’inversion

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 11 / 34

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Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur

La solution

F

B

F

I

(a) (b) (c)

F

B

F

IF

B

F

I

Changer le sens du courantChanger le sens du champPlusieurs cadres dans une MCC

Que du courant continuCollecteur : dispositifd’inversion

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 11 / 34

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Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur

La solution

F

B

F

I

(a) (b) (c)

F

B

F

IF

B

F

I

Changer le sens du courantChanger le sens du champPlusieurs cadres dans une MCC

Que du courant continuCollecteur : dispositifd’inversion

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 11 / 34

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Présentation et Fonctionnement Nécessité d’un collecteur

La solution

F

B

F

I

(a) (b) (c)

F

B

F

IF

B

F

I

Changer le sens du courantChanger le sens du champPlusieurs cadres dans une MCC

Que du courant continuCollecteur : dispositifd’inversion

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 11 / 34

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Technologie de la machine

Plan

1 Présentation et FonctionnementPrincipe de fonctionnementNécessité d’un collecteur

2 Technologie de la machineCircuits électriquesLe collecteur et les balais

3 Fonctionnement de la machineCaractéristiques électriques

4 Fonctionnement moteur

5 Fonctionnement en génératrice

6 Bilan

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 12 / 34

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Technologie de la machine Circuits électriques

Le stator

Stator = inducteurCrée le champ inducteur (continu)

BN S

Peut-être composéd’aimants permanents (i fixe)de bobinages (i réglable)

Courant inducteur = courant d’excitation = i

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Technologie de la machine Circuits électriques

Le stator

Stator = inducteurCrée le champ inducteur (continu)

BN S

Peut-être composéd’aimants permanents (i fixe)de bobinages (i réglable)

Courant inducteur = courant d’excitation = i

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 13 / 34

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Technologie de la machine Circuits électriques

Le rotor

Rotor = induitEnsemble de cadres tournants

rotor-induit

stator-inducteur

Baigne dans le champ magnétiqueSiège de la conversion électro-mécaniqueApparition d’un couple ou d’une f.é.m

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Technologie de la machine Circuits électriques

Symboles électriques

Il en existe plusieursNous utiliserons :

G

inducteur

Induit

(a)

M

inducteur

Induit

(b)

Mode génératrice Mode moteur

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 15 / 34

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Technologie de la machine Le collecteur et les balais

Technologie

Il faut inverser le courantExemple simplifié pour 1 cadre

collecte

ur

rotor

+ Ilame conductrice

matière isolante

cadre conducteur

balais

2 lames ! 1 cadreBalais (= charbons) assurent le contact électrique

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Fonctionnement de la machine

Plan

1 Présentation et FonctionnementPrincipe de fonctionnementNécessité d’un collecteur

2 Technologie de la machineCircuits électriquesLe collecteur et les balais

3 Fonctionnement de la machineCaractéristiques électriques

4 Fonctionnement moteur

5 Fonctionnement en génératrice

6 Bilan

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

Montages électriques

Machine : 1 circuit inducteur + 1 circuit induit

Connexion en série : montage sérieConnexion en parallèle : montage shuntConnexion indépendante : montage à excitation séparéeDes caractéristiques di!érentes

Dans ce coursNous étudierons le montage à excitation séparée uniquement

Équations :shunt : on posera U = usérie : on posera I = i

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

Montages électriques

Machine : 1 circuit inducteur + 1 circuit induitConnexion en série : montage sérieConnexion en parallèle : montage shuntConnexion indépendante : montage à excitation séparée

Des caractéristiques di!érentes

Dans ce coursNous étudierons le montage à excitation séparée uniquement

Équations :shunt : on posera U = usérie : on posera I = i

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

Montages électriques

Machine : 1 circuit inducteur + 1 circuit induitConnexion en série : montage sérieConnexion en parallèle : montage shuntConnexion indépendante : montage à excitation séparéeDes caractéristiques di!érentes

Dans ce coursNous étudierons le montage à excitation séparée uniquement

Équations :shunt : on posera U = usérie : on posera I = i

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

Schémas électriques équivalents

DéfinitionOn appelle schéma électrique équivalent d’un circuit un schémapermettant de rendre compte du comportement électrique de ce circuità l’aide de générateurs et de composants simples.

Échau!ement =! résistanceFuites de courant =! conductanceForce électromotrice =! dipôle polariséPertes de flux magnétique (ALTERNATIF) =! bobineE!ets capacitifs (ALTERNATIF) =! condensateur

Et pour la MCC ?! 2 Bobinages traversés par un courant continu! Point de vue électrique =! échau!ement =! résistance! Induction d’une f.é.m dans l’unduit =! dipôle polarisé

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

Schémas électriques équivalents

DéfinitionOn appelle schéma électrique équivalent d’un circuit un schémapermettant de rendre compte du comportement électrique de ce circuità l’aide de générateurs et de composants simples.

Échau!ement =! résistanceFuites de courant =! conductanceForce électromotrice =! dipôle polariséPertes de flux magnétique (ALTERNATIF) =! bobineE!ets capacitifs (ALTERNATIF) =! condensateur

Et pour la MCC ?! 2 Bobinages traversés par un courant continu! Point de vue électrique =! échau!ement =! résistance! Induction d’une f.é.m dans l’unduit =! dipôle polarisé

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

Schémas électriques équivalents de la MCC

u Ur

iR

E

inducteuru, i

InduitU, I

(a) (b)

r résistance d’inducteurR résistance d’induitE force électromotrice ou contreélectromotrice

Sens du courant induit I : dépend du mode de fonctionnementMoteur !" Puissance mécanique !" E et I en sens inverses(récepteur)

Génératrice !" Puissance électrique !" E et I dans le même sens

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

La force électromotrice E

Rotor-induit : siège d’une f.é.mVrai pour le moteur et la génératriceForce contre-électromotrice pour le moteur

Rails de Laplace : f.é.m = f (B,v)

E = K!!

avec K constante de la machine, ! en Wb et ! en rad/s

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

La force électromotrice E

Rotor-induit : siège d’une f.é.mVrai pour le moteur et la génératriceForce contre-électromotrice pour le moteurRails de Laplace : f.é.m = f (B,v)

E = K!!

avec K constante de la machine, ! en Wb et ! en rad/s

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 21 / 34

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

La force électromotrice E

Rotor-induit : siège d’une f.é.mVrai pour le moteur et la génératriceForce contre-électromotrice pour le moteurRails de Laplace : f.é.m = f (B,v)

E = K!!

avec K constante de la machine, ! en Wb et ! en rad/s

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 21 / 34

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

Puissance et couple électromagnétique

Puissance électromagnétique :Transmise entre rotor et stator (champ magnétique)Convertie (électrique !" mécanique)En rapport avec E (et I)

Pem = EI

Couple électromagnétique Tem :Appliqué par les forces de LaplaceSur le rotor

Tem =Pem!

= K!I

! Tem proportionnel à I

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Fonctionnement de la machine Caractéristiques électriques

Puissance et couple électromagnétique

Puissance électromagnétique :Transmise entre rotor et stator (champ magnétique)Convertie (électrique !" mécanique)En rapport avec E (et I)

Pem = EI

Couple électromagnétique Tem :Appliqué par les forces de LaplaceSur le rotor

Tem =Pem!

= K!I

! Tem proportionnel à I

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 22 / 34

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Fonctionnement moteur

Plan

1 Présentation et FonctionnementPrincipe de fonctionnementNécessité d’un collecteur

2 Technologie de la machineCircuits électriquesLe collecteur et les balais

3 Fonctionnement de la machineCaractéristiques électriques

4 Fonctionnement moteur

5 Fonctionnement en génératrice

6 Bilan

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Fonctionnement moteur

Définition

u Ur

iR

E

inducteuru, i

InduitU, I

(a) (b)

Mode moteurUne machine à courant continu fonctionne en mode moteur si etseulement si U > E .

! L’induit absorbe le courant IIUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 24 / 34

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Fonctionnement moteur

Vitesse du moteur

Vitesse n (tr/s ou s!1) ou ! = 2!n (rad/s)

Usage : tr/min ou min!1

=! U = E + RI

! =U " RI

K"

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Fonctionnement moteur

Vitesse du moteur

Vitesse n (tr/s ou s!1) ou ! = 2!n (rad/s)

Usage : tr/min ou min!1

R

RIE

I

U

=! U = E + RI

! =U " RI

K"

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 25 / 34

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Fonctionnement moteur

Deux remarques

RI << U =! ! " UK!

Commande du moteurU permet de contrôler la vitesse de rotation pour ! donné.

n # U $ RIi

! i $% 0 =! n $%&Emballement du moteur

Ne jamais couper l’inducteur d’un moteur à courant continu enfonctionnement. Risque d’emballement !

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Fonctionnement moteur

Bilan des puissances du moteur à courant continu

Puissance électrique absorbée Pa

Puissanceélectromagnétique Pem

Pertes fer PfPertes mécaniques rotationnelles Prot

Puissance mécanique utile Pu

Pertes Joule+PJRPJS

Pcste = Prot + Pf se mesurent à vide (cf notes)

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Fonctionnement moteur

Bilan des puissances du moteur à courant continu

Puissance électrique absorbée Pa

Puissanceélectromagnétique Pem

Pertes fer PfPertes mécaniques rotationnelles Prot

Puissance mécanique utile Pu

Pertes Joule+PJRPJS

Pcste = Prot + Pf se mesurent à vide (cf notes)

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Fonctionnement moteur

Rendement du moteur

DéfinitionLe rendement ! d’un moteur est le rapport entre la puissance mécanique

utile Pu et la puissance électrique absorbée Pa.

! =PuPa

(< 100 %)

À vide :Sans charge mécaniquePu = 0 (moteur inutile)! = 0

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Fonctionnement moteur

Rendement du moteur

DéfinitionLe rendement ! d’un moteur est le rapport entre la puissance mécanique

utile Pu et la puissance électrique absorbée Pa.

! =PuPa

(< 100 %)

À vide :Sans charge mécaniquePu = 0 (moteur inutile)! = 0

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Fonctionnement moteur

Couple utile d’un moteur à courant continu

Bilan des puissances =! Tu " !I

Commande du moteurLe courant I permet de contrôler le couple moteur pour ! donné.

Tu et n sont contrôlables indépendammentFaibles vitesses et forts couplesIdéal pour le démarrage en charge

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Fonctionnement moteur

Démarrage du moteur à excitation séparée

Au démarrage :! = 0 =! E = 0La résistance d’induit R est petiteI = U/R très grand

Limiter la tension U :Rhéostat de démarrage =! n’est plus utiliséVariateur de vitesse (hacheurs, tension variable) =! TP

Tension de démarragePour contrôler le courant, un moteur à excitation séparée doit êtredémarré à tension réduite.

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Fonctionnement en génératrice

Plan

1 Présentation et FonctionnementPrincipe de fonctionnementNécessité d’un collecteur

2 Technologie de la machineCircuits électriquesLe collecteur et les balais

3 Fonctionnement de la machineCaractéristiques électriques

4 Fonctionnement moteur

5 Fonctionnement en génératrice

6 Bilan

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Fonctionnement en génératrice

Définition

u Ur

iR

E

inducteuru, i

InduitU, I

(a) (b)

Mode moteurUne machine à courant continu fonctionne en mode génératrice si etseulement si E > U.

! L’induit délivre le courant I! U = E ! RI =" on recalcule comme précédemment

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Bilan

Plan

1 Présentation et FonctionnementPrincipe de fonctionnementNécessité d’un collecteur

2 Technologie de la machineCircuits électriquesLe collecteur et les balais

3 Fonctionnement de la machineCaractéristiques électriques

4 Fonctionnement moteur

5 Fonctionnement en génératrice

6 Bilan

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) La machine à courant continu 2009–2010 33 / 34

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Bilan

Bilan de la machine à courant continu

Avantages :Commande facile : U !" n et I !" TuConnexion directe sur batteries possibleFacilement réversible (U par rapport à E )Couple au démarrage réglable et important

Inconvénients :Emballement possibleTension au démarrage à contrôlerPrix élevéMaintenance nécessaireSource importante de nuisances (étincelles)

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