Cours d Electrotechnique 2ème partie

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1 ECOLE DES HAUTES ETUDES DINGENIEUR Cycle énéal et de conolidation du ojet ofeionnel Cycle Inénieu HEI 3 Cou d Electotechnique ème atie Le entainement électique Machine à cc. Machine aynchone Machine ynchone RÉFÉRENCE : 3A4- HEI Année 03/04 Tél. : , ue de Toul Télécoieu : Lille Cedex Site Intenet : ecole@hei.f

2 Table de matièe CHAPITRE. GENERALITES SUR LES MACHINES ELECTRIQUES TOURNANTES... 3 STRUCTURE DE LA MACHINE... 3 LOIS GENERALES DE LA CONERSION ELECTROMECANIQUE... 3 CONSTITUTION DE LA MACHINE ELECTRIQUE... 4 TYPE DE SERICE S... 5 INDICE DE PROTECTION IPXX ET IKXX... 6 PLAQUE SIGNALETIQUE... 6 COUPLES RESISTANTS MODES DE FONCTIONNEMENT... 0 QUESTIONS DE COURS... FICHE MEMOIRE A COMPLETER... CHAPITRE MACHINES A COURANT CONTINU... CONSTITUTION D UNE MACHINE A COURANT CONTINU... SCHEMA ELECTRIQUE EQUIALENT D UNE MACHINE A CC... 3 LOIS GENERALES DE LA MACHINE A COURANT CONTINU... 3 QUESTIONS DE COURS... 5 FICHE MEMOIRE A COMPLETER... 6 CHAPITRE 3 MACHINES SYNCHRONES... 7 STRUCTURE... 7 PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT EN GENERATEUR... 8 SCHEMA EQUIALENT MONOPHASE D UN ALTERNATEUR TRIPHASE SYNCHRONE... 8 QUESTIONS DE COURS... FICHE MEMOIRE A COMPLETER... CHAPITRE 4 MACHINES ASYNCHRONES... 3 STRUCTURE... 3 NOTION DE CHAMP TOURNANT... 4 PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT... 5 SCHEMA EQUIALENT MONOPHASE D UNE MACHINE ASYNCHRONE TRIPHASEE... 7 MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASE... 3 QUESTIONS DE COURS... 3 FICHE MEMOIRE A COMPLETER... 3 CHAPITRE 5. LES CRITERES DE CHOIX D UN MOTEUR QUELLE TECHNOLOGIE DE MOTEUR : ÉLECTRIQUE OU THERMIQUE?... 34

3 I. CARACTERISTIQUES DE LA MACHINE ENTRAINEE II. Alimentation électique : III. Elément de choix du moteu : FICHE MEMOIRE A COMPLETER CHAPITRE 6. INTRODUCTION A L ELECTRONIQUE DE PUISSANCE... 4 LA DIODE... 4 LE THYRISTOR... 4 LE TRANSISTOR REDRESSEUR P REDRESSEUR PD (PONT DE GRAËTZ) REDRESSEUR P REDRESSEUR PD FICHE MEMOIRE A COMPLETER CHAPITRE 7 CRITERE DE CHOIX D UN ARIATEURS DE ITESSE POUR MACHINES ELECTRIQUES LE REDRESSEUR L ONDULEUR LE HACHEUR LE GRADATEUR QUESTIONS DE COURS COMMANDE DE LA MACHINE ASYNCHRONE COMMANDE SCALAIRE... 6 FICHE MEMOIRE A COMPLETER... 6

4 CHAPITRE. GENERALITES SUR LES MACHINES ELECTRIQUES TOURNANTES Un moteu électique et un convetieu d éneie électique en éneie mécanique, detiné à entaîne une machine. En entée, il eçoit de l éneie électique et il founit en otie une éneie mécanique. Ce oceu et éveible et eut evi à oduie de lélecticité. STRUCTURE DE LA MACHINE Du oint de vu contuction, un moteu ou une énéatice et contitué a une atie fixe aelée STATOR et une atie mobile aelée ROTOR qui toune énéalement à l intéieu du tato. Ente ce deux atie e touve un intevalle d ai aelé ENTREFER emettant la otation du oto. (FIGURE ) alimentation électique Tubine de ventilation Stato Flaque alie Flaque alie Roulement Roto Fiue ue éclatée d une machine électique. LOIS GENERALES DE LA CONERSION ELECTROMECANIQUE L exemle théoique uivant emet de matéialie le divee loi qui èlent cette conveion. Un conducteu de lonueu l, mobile, e délace à la vitee v u deux ail indéfini lacé dan une induction unifome et invaiable B, nomale aux conducteu. On exece la foce mécanique u le conducteu et le cicuit et alimenté a un énéateu de tenion. U et de éitance intene R. On note I le couant, avec le convention de ine indiqué u la fiue : I R U F em B I E F mec B v Fiue Pincie du énéateu d éneie électique. - 3

5 Quate loi déteminent le ytème électomécanique :. La loi de Faaday : i la vitee du conducteu et v Il aaaît une f.é.m. E :. La loi de Lalace : i le couant dan le conducteu et I Il exite une foce électomanétique : 3. La loi d Ohm : 4. La loi de la dynamique : i la vitee v et contante, elle imlique : Si la éitance et nulle (aucune ete dan le cicuit) on a alo : une vitee v telle que un couant I tel que Le vitee ont liée aux f.é.m. et le couant aux foce. Le fonctionnement ea moteu i et v ont de même en. La f.é.m. E ooe alo au couant. Le fonctionnement ea énéateu électique i et v ont de en ooé. La f.é.m. E va dan le en du couant. On eut exime la uiance au niveau du conducteu ou la fome mécanique ou ou la fome électique : E Pem Fem v B l I EI B l Execice. On donne une bae mobile u deux ail le lon dequel elle eut lie an fottement. La éitance de la bae et de ail et eéentée a la éitance R=,4. La vitee en éime établi et de v=0m/. La denité de flux et unifome et vaut 0,5T. I R U F em B I E F mec B - Si la oition initiale de la bae et x 0 et que la lonueu de la bae et L= m et que la tenion de la ouce et de 4, On vou demande de :. Donne l exeion du flux coué a le cicuit comoé de la ouce de tenion, la éitance et la bae.. Déive l exeion du flux ou détemine la tenion induite dan la bae. v CONSTITUTION DE LA MACHINE ELECTRIQUE Le machine électique comotent :. de matéiaux manétique chaé de conduie et canalie le flux manétique; Fiue 3 matéiaux manétique. 4

6 . de matéiaux conducteu chaé de conduie et canalie le couant électique : Le cuive et énéalement utilié ou éalie le bobinae de machine électique. Ceendant, ou le line de tanot de l éneie électique où l on ouhaite dioe de câble aez lée, on utilie l aluminium (Fiue 4) Fiue 4 Câble de ditibution. 3. de iolant : Le conducteu ont iolé avec du aie, du coton, du boi, du PC, du caoutchouc, de themolatique ; 4. un ytème de efoidiement : ventilation natuelle ou ventilation focée La caacité d une machine à uote un fonctionnement en éime emanent ou l effet de la teméatue et donc imodial. Cette andeu et définie comme étant a clae themique ou clae d iolation. La clae la lu couante et la clae F. Tubine ventilation focée Fiue 5 Tubine ventilateu TYPE DE SERICE S Il et en aot avec l échauffement de enoulement lo de éiode de mache et d aêt du moteu. La luat de moteu fonctionnent ouvent en evice non continu. Cetain moteu ne fonctionnent que endant une bève éiode, d aute tounent toute la jounée mai avec une faible chae, et de nombeux moteu doivent accélée de fote inetie ou ont commandé en mode commuté et feiné électiquement. Il exite neuf tye de evice difféent, de S à S9, le lu couant ont le evice S, S et S3. 5

7 S SERCE CONTINU S SERICE TEMPORAIRE S3 SERICE INTERMITTENT Fonctionnement à chae contante ou atteinde l équilibe themique. Fonctionnement à chae contante endant un tem déteminé inféieu au tem de l équilibe themique uivi d un eo uffiant ou établi l éalité de teméatue ente le moteu et l ai de efoidiement. OBSERATION: ce evice eut emette une uiance utile uéieue à la uiance nominale. Réétition de cycle identique comenant chacun une éiode de fonctionnement à la chae contante et une éiode de eo: on conidèe que l intenité de démaae n affecte a l échauffement du moteu de façon inificative. OBSERATION: ce evice eut emette une uiance utile uéieue à la uiance nominale. Tableau n. Tye de evice INDICE DE PROTECTION IPXX ET IKXX L indice IP et donné ou tou le équiement électique et et indiqué a deux chiffe : le emie coeond à la otection conte la énétation de co olide ; le deuxième coeond à la otection conte la énétation de liquide. Pa exemle, IP55 inifie «otéé conte la énétation de toute aticule olide et conte le jet d eau de toute diection». Tableau n IP Deé indice de otection L indice IK détemine le deé de otection du matéiel conte le choc d oiine mécanique. Pa exemle : IK08 indique que le matéiel et otéé conte un choc équivalent à la chute d une mae de,5k deui une hauteu de 40cm PLAQUE SIGNALETIQUE Toute machine électique et munie d une laque inalétique qui indique le caactéitique nominale électique de la machine, tou le eneinement utile y ont éetoié. Une laque inalétique ote énéalement le indication uivante, voi la fiue 6: 6

8 IP44 5K Fiue 6 Plaque inalétique d une machine aynchone. Maque du moteu : LEROY-SOMER Le tye : LS 90 L3 LS = LETTRES DE LA SERIE 90 = HAUTEUR D AXE (STANDARD 56, 63, 7, 80, 90, 00,, 3, 60, 80, 00) L3 = TYPE LONGUEUR TOLE ROTOR (L, L, L3) Le numéo de éie : ; le indice de otection IP44 ; «4» = Potéé conte le co olide uéieu à mm, «4» = Potéé conte le ojection d eau de toute diection. la uiance utile délivée u l abe du moteu,8 kw; le facteu de uiance (0,8) qui emet de calcule la uiance éactive conommée a le moteu dan le ca du moteu aynchone ; le tenion d alimentation, 0 voltae du moteu en tianle. 380 voltae du moteu en étoile. le intenité en line 7,5 A couant du moteu en tianle. 4,3 A couant du moteu en étoile ; le endement (79 %) qui emet de connaîte la uiance électique abobée a la machine ; la vitee de otation nominale (40 t/min) de l abe moteu qui emet de détemine la vitee de ynchonime (500 t/min) dan le ca d une machine aynchone ; la féquence (50 Hz) de tenion devant alimente la machine ; le nombe de hae 3; la teméatue ambiante maximum (40 C); le evice de mache S (S=00%, S=80%, S3=60%, S4=40%) la clae d iolation F CLASSE D ISOLEMENT (A05, E0, B30, F55, H80 ), définiant la teméatue maximum en exloitation; la mae de la machine 4 k; Claification (Fiue 7) Nou ouvon clae le machine électique tounante en toi ande catéoie: Machine en couant continu: ce machine fonctionnent en couant continu. Machine aynchone (ou d induction): c et une machine à couant altenatif. Il exite de moteu aynchone et de énéatice aynchone. On l utilie beaucou dan l indutie. 7

9 Machine ynchone: ce ont de machine à couant altenatif qui fonctionnent à vitee contante. Dan cette catéoie, on etouve le moteu ynchone et de énéatice ynchone (ou altenateu). Machine à cc. Machine aynchone Machine ynchone Fiue 7. Toi ande catéoie de machine électique Dimenionnement d un moteu dentaînement Le donnée d entée : tenion, féquence, couant, natue du éeau d alimentation (Fiue 5) Le donnée de otie : uiance utile, vitee, coule moteu. Fiue 5. Moteu électique Selon le tye de ytème à entaîne, le andeu mécanique de la machine à entaîne doivent ête connue. COUPLES RESISTANTS. Le difféente fome de coule éitant ont le uivante. ) Machine à coule contant. Exemle: levae (Fiue 6) Le coule utile ete contant. La uiance utile P et ootionnelle à la vitee. C (N.m) C k P(W) P k. 0 itee Ω (d/) itee Ω (d/) 0 Fiue 6. Machine à coule contant ) Machine à uiance contante. Exemle : eoeue (Fiue 7) Le coule diminue loque la vitee aumente. La uiance utile P ete contante 8

10 C (N.m) C k P(W) P k 0 itee Ω (d/) itee Ω (d/) 0 Fiue 7. Machine à uiance contante 3) Machine à coule ootionnel à la vitee. Exemle : Mélaneu (Fiue 8) Le coule éitant aumente ootionnellement à la vitee. La uiance utile aumente ootionnellement au caé de la vitee. C (Nm) k. C P(W) P k. 0 itee Ω (d/) itee Ω (d/) 0 Fiue 8. Machine à coule ootionnel à la vitee 4) Machine à coule ootionnel au caé de la vitee. Exemle : entilateu (Fiue 9). Le coule éitant aumente ootionnellement au caé de la vitee. La uiance utile aumente ootionnellement au cube de la vitee. C (Nm) C k. P(W) 3 P k. 0 itee Ω (d/) 0 itee Ω (d/) Fiue 9. Machine à coule ootionnel au caé de la vitee Execice. On e ooe d étudie une ome centifue à axe hoizontale dont le caactéitique ont le uivante : Débit = 0 l/ec. Hauteu manométique totale : 4 m. MD u l abe à 500 t/min : 4,3 k.m. Calcule le moment d inetie de la ome centifue J ome à 500 t/min Moment d inetie J ome à 500 t/min. Donne le tye de coule éitant de la machine entaînée. Machine centifue, 3. Calcule la uiance d entaînement P e 9

11 MODES DE FONCTIONNEMENT Le vaiable mécanique ont le coule utile Cu et la vitee de otation N. On ditinue quate quadant de fonctionnement comme le monte la fiue 0. Le moteu feine la chae à la montée mec (ad / ec) mec 0 mec 0 Le moteu entaîne la chae à la montée C mec 0 C mec 0 Le moteu entaîne la chae à la decente 0 Le moteu feine la chae mec 0 0 à la decente mec C mec (Nm) C mec 0 C mec 0 Fiue 0. Le quate quadant de fonctionnement d une machine électique tounante. Dan le quadant et 3, le coule et la vitee ont de même en : la uiance électique et tanfomée en uiance mécanique founie à la chae. Le quadant coeond au fonctionnement moteu en mache avant, tandi que le 3 coeond à un fonctionnement moteu en mache aièe. Dan le quadant et 4, le coule et ooé à la vitee. La uiance mécanique et founie a la chae qui et alo entaînante, le moteu e comote en fein convetiant la uiance mécanique en uiance électique qui ea oit envoyée ve l alimentation (écuéation) oit diiée dan de éitance (feinae héotatique). Execice 3. Pou éleve une chae de 00 k à 0 m de hauteu, on utilie un teuil accoulé à un moteu a lintemédiaie dun éducteu mécanique. Éneie électique Moteu Éneie mécanique K R 60 Réducteu Abe lent (teuil) CT ; T Teuil Abe aide (moteu) CM ; M Caactéitique de aaeil : - teuil diamète du tambou d = 0 cm, 0, 9 T Chae 0

12 - éducteu : aot de éduction K R = 60, R 0, 85 - moteu : vitee de otation en chae = 450 min-, M 0, 85 - diamète de laxe d = 0 mm - Calcule le tavail utile ut 9,8m / ec - Calcule la uiance utile PuT founie a le teuil. 3 - Calcule le tavail founi a laxe du moteuw um. W effectué a le teuil QUESTIONS DE COURS Q. Quel ont le élément inciaux concené a le mode de démaae? Q. Donne la définition de l inetie Q3. Donne la définition du coule d une machine : Q4. Quelle ont le machine qui eéentent la lae majoité de utiliation : FICHE MEMOIRE A COMPLETER J ome k. m P e W W ut C acc MD Q.. h W F L F M WuT M h W ec PuT W Pmec Cmec mec W t d J Nm dt P em F em v EI

13 CHAPITRE MACHINES A COURANT CONTINU Le moteu à couant continu etent tè utilié dan le domaine de l automobile (ventilateu, lève-vite, etc.) aini qu en tant que «moteu univeel» dan l électoménae et l outillae (Fiue ) Moteu lève vite Moteu univeel Fiue. Petit moteu à couant continu. CONSTITUTION D UNE MACHINE A COURANT CONTINU Une machine à couant continu comend quate atie inciale (Fiue ): l inducteu ; l induit ; le collecteu ; le balai éalement aelé chabon. Fiue Contitution d une machine à couant continu. L inducteu (Fiue 3) Le bobinae inducteu, taveé a le couant inducteu Ie, oduit le flux manétique dan la machine. Ce bobine ont comoée de luieu centaine de ie et ont taveée a un couant elativement faible (I e ). Le cham manétique céé a ce bobine tavee le ièce olaie, l induit et l entefe. Plu une machine et uiante et lu a vitee et bae, lu and ea le nombe de ôle. Fiue 3 Inducteu d une machine à couant continu. oici le difféent ymbole emloyé ou eéente la machine à couant continu, elon le tye d excitation emloyée (Fiue 4). U I e MCC I U MCC I U (a) (b) (c) (d) Fiue 4 Symbole de la machine à couant continu. I e I MCC I tot U Ie I MCC Itot U

14 (a) Moteu à couant continu à excitation indéendante, (b) Moteu à couant continu à excitation éie, (c) Moteu à couant continu à excitation hunt, (d) Moteu à couant continu à excitation comoée L induit (Fiue 5) L induit et comoé d un enemble de bobine identique éatie unifomément autou d un noyau cylindique. Il et monté u un abe et toune ente le ôle de l inducteu. Fiue 5 Induit d une machine à couant continu. Collecteu et balai (Fiue 6) Le collecteu et un enemble cylindique de lame de cuive iolée le une de aute a de feuille de mica. Le collecteu et monté u l abe de la machine, mai iolé de celui-ci. Collecteu Balai ou chabon Fiue 6 Collecteu et balai d une machine à couant continu. SCHEMA ELECTRIQUE EQUIALENT D UNE MACHINE A CC (FIGURE 7) I I e R U U E Inducteu Induit Fiue 7 Schéma équivalent d une machine à couant continu. LOIS GENERALES DE LA MACHINE A COURANT CONTINU Foce électomotice Nou ouvon obteni une f.é.m. continue en mettant en éie le conducteu de l induit et en ecueillant cette f.é.m. a deux balai fixe a aot à l inducteu et lacé u la line neute. La «line neute» et l axe de ymétie d une machine biolaie, eendiculaie à une line joinant le ôle (Fiue 8). 3

15 a =, deux voie Fiue 8 Machine biolaie avec voie d enoulement Ente le balai, tajet ou «voie d enoulement» exitent ou le couant. D où la fomule énéale : E n a Où, a, n, ont eectivement le nombe de ai de ôle, le nombe de ai de voie et le nombe de ie. Ce aamète ont fixé a contuction, et on écia lu imlement : E k Pou le faible valeu de I e, la elation ente le flux et le couant d excitation I e et à eu è linéaie et on eut oe : E k ki e (Fiue 9) Loque Ie aumente, le cicuit manétique e atue et la f.é.m. aumente moin fotement. E( ) E( ) Fiue 9 caactéitique à vide d une machine à couant continu. Dan le ca d un moteu à excitation indéendante I e fixe, on eut écie E k Bilan de uiance et endement Fonctionnement moteu à excitation indéendante Le moteu eçoit une uiance électique au niveau de l induit et l inducteu. La fiue 0 monte le diaamme de uiance. P U exc I e I e (A) (ad / ec) P élec U I P em EI P otie P mec C mec Fiue 0 Diaamme de uiance d une machine à couant continu à excitation éaée. En entée : Cicuit induit : En otie : P P P otie U I U ab I e u C u P Pent Pélec U I Cicuit d inducteu: Pexc U I e P C em mec Le endement écia : fi mec mec ji jie fi mec 4

16 Potie Pentée UI UI Notation : Pete joule de l induit : UI UIe UI UIe ji jie fi mec e UI UI ji RI Pete joule de l inducteu : e ji e I e Pete fe de l induit : fi Pete mécanique : mec Coule électomanétique Loqu un couant I cicule dan l induit, il aaaît un coule électomanétique k I k I céé a le foce de Lalace F em BLI qui execent u le conducteu C em de l induit. Avec ayon de l induit Cem Fem (Fiue ) Ce coule ne déend que de I et de l induction B ou du flux. Fiue Foce de Lalace exeçant u l induit d une machine à couant continu. fi mec C u Cem c c Remaque : ou un moteu à excitation éie, on touve : C em k k I QUESTIONS DE COURS Q. Dan une machine à couant continu, ouquoi l inducteu et-il au tato et non au oto? Q. A quel niveau la conveion électomécanique e fait dan une machine électique? Q3. Pouquoi chaque fil actif et-il le ièe d une f.é.m. altenative au cou de la otation? Q4. Quelle et la fonction de l inducteu de la machine? Q5. Pou invee le en de otation d un moteu, que faut-il invee? Execice. Teuil entaîné a machine à couant continu : montée et decente Un moteu à couant continu à excitation indéendante entaîne un teuil oulevant veticalement une chae de mae M k uendue à l extémité d un fil enoulé u le tambou du teuil, de ayon uoé contant éal à 0, m. La vitee de otation du tambou et éale au vintième de la vitee de otation du moteu. L induit du moteu de éitance intéieue 0, 5 Ohm et connecté aux bone d une ouce d éneie founiant une tenion élable de U = 0 à U n = 40 = tenion nominale du moteu. On donne : = 0 m/. On adotea le hyothèe imlificatice uivante : endement du teuil = ; nélie toute le ete du moteu auf celle a effet Joule dan l induit ou dan la éitance de démaae ; nélie la éaction d induit et la atuation de cicuit manétique.. Le couant inducteu et élé à a valeu maximum admiible Ie = 5 A. On contate alo que le teuil hie la chae à la vitee m/ alo que la uiance abobée a l induit et de 9, 6 kw et que la tenion aliquée à l induit et éale à la tenion nominale... Calcule l intenité du couant abobé a l induit du moteu... Calcule la foce conte-électomotice du moteu. 5

17 .3. Calcule la uiance utile du teuil..4. Calcule le coule utile du moteu..5. Calcule la vitee de otation du moteu. FICHE MEMOIRE A COMPLETER E k k k I F em BLI C F P E e k em em E k I k I C u C em c c ab U I U I e Pu Cu Pem F mec P P otie entée P u ji P u jie fi mec C em fe mec 6

18 CHAPITRE 3 MACHINES SYNCHRONES La machine ynchone et le lu ouvent utiliée en énéateu, on l aelle alo altenateu. Le centale de oduction d éneie électique ont équiée d altenateu tihaé. Comme toute le machine électique tounante, la machine ynchone et éveible et eut éalement fonctionne en moteu ynchone (Fiue ). Fiue Machine ynchone tihaée STRUCTURE Quel que oit a contitution et on nombe de ôle, une machine ynchone et contituée de deux cicuit indéendant : Le cicuit d induit ou tato: il et contitué de toi bobinae tihaé, de contitution ymétique, atiqué u le tato de façon éatie, et a lequel tanite la uiance électique de la machine. Deux coulae ont oible : Etoile (Y) qui imoe une tenion imle à chaque enoulement ou tianle (D) qui imoe une tenion comoée à chaque enoulement. Fiue Stato d une machine ynchone Le bobinae d excitation ou oue olaie: il et contitué d un bobinae enoulé u le oto et taveé a le couant continu Ie «d excitation». C et lui qui emet la céation de ôle manétique dit «otoique» et l intauation d un flux donné dan le cicuit manétique. On enconte toi tye de oto. Le oto bobiné à ôle lie, le oto bobiné à ôle aillant aini que le oto à aimant : Enoulement inducteu Coulae du tato d un moteu aynchone ôle Bobine à ôle aillant Bobine à ôle lie Roto à aimant Fiue Inducteu tounant d une machine ynchone 7

19 oici le difféent ymbole utilié ou eéente la machine ynchone, qu elle fonctionne en moteu ou en énéatice (altenateu) : Fiue 3 Symbole de la machine ynchone. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT EN GENERATEUR Pou oduie l éneie électique, une foce extéieue fait toune le oto. Le enoulement du oto alimenté en couant continu céent une ucceion de ôle altenativement nod et ud. Son cham manétique en tounant, induit une f.é.m. altenative dan le bobine du tato (induit). La vitee de ce cham tounant donc du oto et aelée «vitee de ynchonime» doù le nom de machine ynchone. (Fiue 3). Fiue 3 Machine ynchone. Remaque : Il net a oible de faie démae coectement une machine ynchone en connectant e enoulement du tato diectement u un éeau altenatif comme la machine aynchone. Elle néceite moteu auxiliaie de démaae. Sa vitee de ynchonime et diectement liée à la féquence de lalimentation électique. Foce électomotice On eut obteni une foce électomotice en enant un induit fixe et un inducteu mobile. Un enoulement de l induit (tato) oumi au cham manétique tounant de l entefe et le ièe d une f.é.m. E. Cette tenion a ou valeu : E k En tihaé le tato comote toi enoulement ou hae. On obtient toi f.é.m. e (t) e (t) et e 3 (t) de même valeu efficace E et déhaée de 3 SCHEMA EQUIALENT MONOPHASE D UN ALTERNATEUR TRIPHASE SYNCHRONE Le fonctionnement et en éime tihaé équilibé, on étudie uniquement le andeu elative à une hae. 8

20 I R jl I e E U Induit Inducteu Fiue 4 Schéma monohaé équivalent d un altenateu ynchone La loi de maille de l induit donne : E R jl I La fiue 5 eéente le diaamme de la machine ynchone en nélieant R. P(W ) E jli Q 0 P 0 Q(AR) Fiue 5 Diaamme de la machine ynchone fonctionnant en altenateu uexcité founiant à la foi de la uiance active et de la uiance éactive au éeau. P(W ) E jli P 0 Q(AR) Q 0 Fiue 6 Diaamme de la machine ynchone à l excitation «nomale» fonctionnant en altenateu founiant que de la uiance active au éeau. P(W ) E jli Q 0 P 0 Q(AR) Fiue 6 Diaamme de la machine ynchone fonctionnant en altenateu ou-excité founiant la uiance active au éeau et abobant de la uiance éactive u ce même éeau. Schéma équivalent monohaé d un moteu tihaé ynchone Pou étudie le moteu ynchone tihaé, on ne modélie que le andeu elative à une hae. 9

21 I R jl I e E U Induit Inducteu Fiue 7 Schéma monohaé équivalent d un moteu ynchone La loi de maille de l induit donne : E R jl I La fiue 8 eéente le diaamme de la machine ynchone en nélieant R. P(W ) Q 0 E jli P 0 Q(AR) Fiue 9 Diaamme de la machine ynchone fonctionnant en moteu uexcité abobant de la uiance active u le éeau tout en lui founiant de la uiance éactive. P(W ) jli Q 0 P 0 Q(AR) E Fiue 0 Diaamme de la machine ynchone à l excitation «nomale» fonctionnant en moteu n abobant que de la uiance active u le éeau. P(W ) E Q 0 jli Fiue Diaamme de la machine ynchone fonctionnant en moteu ou-excité abobant à la foi de la uiance active et de la uiance éactive u le éeau. P 0 Q(AR) 0

22 Bilan de uiance et endement Fonctionnement altenateu L altenateu eçoit une uiance mécanique de la tubine ou du moteu qui l entaîne. Si elle et à excitation indéendante, le cicuit inducteu eçoit une uiance de on alimentation continue. La fiue a monte le diaamme de uiance P U exc I e P ent P mec C mec P em P élec 3 I co j Fiue a Diaamme de uiance d un altenateu à excitation indéendante Fonctionnement moteu Le moteu eçoit une uiance électique du éeau. S il et à excitation indéendante, le cicuit inducteu eçoit une uiance de on alimentation continue. La fiue b monte le diaamme de uiance P U f mec exc I e j f P élec 3 I co Pem P otie P mec C mec Fiue b Diaamme de uiance d un moteu à excitation indéendante Notation : Pete joule au tato : j 3RI ; Pete joule au oto : j I e Pete fe au tato : f ; Pete fe au oto : f ; Pete mécanique : Exeion de coule électomanétique à ati du chéma monohaé équivalent: j f j f mec mec E m jx I XI co XI in E co XI in E in I co E in XI co X 3E in La uiance active aelée a la machine : P 3I co X Le coule électomanétique obtient en diviant la uiance active a la vitee de otation. Pem 3E in Cem Avec XI co Ein X

23 Rendement P moteu P otie entée P P mec élec Cmec 3I co altenateu P P otie entée P P élec mec 3I co C mec QUESTIONS DE COURS Q. Pouquoi un altenateu tihaé a-t-il une uiance maique uéieue à un altenateu monohaé? Q. Peut-on enviae une machine ynchone tiolaie hexahaé? Q3. En fonctionnement altenateu autonome, quel élae doit-on faie ou mainteni une féquence contante Execice n. Un altenateu tihaé non atué a une éactance ynchone contante de 8,5 et une éitance nélieable. Il délive une uiance active de 600kW et U 3300 à vide, avec la même vitee d entaînement et le même couant d excitation la tenion et de E 5500 Calcule le couant a fil de line et le facteu de uiance FICHE MEMOIRE A COMPLETER E R jl I E R jl I P(W ) P(W ) E jli Q 0 P(W ) P 0 Q(AR) E jli P 0 Q 0 P(W ) Q(AR) E jli Q 0 P 0 Q(AR) E Q 0 jli P 0 Q(AR) C em P em P 3E in L

24 CHAPITRE 4 MACHINES ASYNCHRONES Le machine aynchone ont tè utiliée (on etime que 80% de moteu de la lanète ont de moteu aynchone) ca leu coût et inféieu à celui de aute machine, de lu ce machine ont obute. Comme le aute machine, la machine aynchone et éveible (Fiue ) Machine à couant continu Moteu aynchone à cae Fiue Moteu aynchone à cae STRUCTURE Une machine aynchone comend énéalement : un tato tihaé comotant aie de ôle a hae, identique à celui d une machine ynchone. Deux coulae ont oible : Etoile (Y) qui imoe une tenion imle à chaque enoulement ou tianle (D) qui imoe une tenion comoée à chaque enoulement. Coulae du tato d un moteu aynchone Fiue Stato d un moteu aynchone C et au niveau de la laque à bone que l on eut modifie le coulae de la machine. La fiue 3 monte comment effectue un coulae en étoile ou en tianle âce aux baette de cuive effectuant la liaion ente le ix bone. Coulae étoile Coulae tianle Fiue 3 Coulae du tato en étoile ou en tianle d une machine aynchone tihaée. 3

25 Un oto et contitué de conducteu mi en cicuit femé. On enconte deux tye de oto : Roto bobiné : l enoulement, emblable à celui du tato, comote aie de ôle a hae ; le toi aie ont eliée à toi baue qui emettent d inée un héotat dan le cicuit du oto. Ce moteu et aui nommé moteu à baue. Fiue 3 Machine aynchone à oto bobiné. Roto à cae : le oto et contitué de baeaux de cuive ou d aluminium elié aux deux extémité a deux couonne conductice. Ce modèle (en fome de cae d écueuil) eu coûteux et tè obute et le lu éandu. Fiue 4 Machine aynchone à oto à cae oici le deux ymbole emloyé ou eéente la machine aynchone (Fiue 5) : Fiue 5 Symbole du moteu aynchone. NOTION DE CHAMP TOURNANT Le cham tounant dan l eace et le hénomène de bae de machine électique à couant altenatif. Un enemble de toi bobine identique, dioée de manièe que leu axe e touvent dan le même lan et faent ente eux un anle de 0, et acouue a de couant tihaé décalé ente eux un anle de 0, oduient un cham tounant à une vitee éale à la ulation de couant (Fiue 6). Céation d un cham tounant Fiue 6 Céation d un cham tounant. 4

26 PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT Le tato, alimenté a un éeau de féquence f, cée une induction tounante dan l eace f B de vitee N, telle que N 60. Avec N vitee de ynchonime en t/min, f féquence du éeau dalimentation en Hz (50 Hz), et nombe de ai de ôle. Suoon le oto immobile : il et balayé a cette induction B S et de foce d délectomotice ont enendée dan le conducteu (loi de Faaday e ). dt Comme le cicuit otoique ont femé, de couant du oto ennent naiance. Il aaaît de foce électomotice due à l action de l induction tatoique u le couant otoique. En vetu de la loi de Lenz, ce foce tendent à entaîne le oto dan le en de induction tounante. Il exite un coule de démaae, le oto e met à toune. Fiue 7 Pincie de fonctionnement de la machine aynchone. Le oto va uive le cham tounant B mai il va toune à une féquence léèement inféieue N à la féquence de ynchonime N doù le nom de moteu aynchone. Cette difféence de vitee aelle le liement. Gliement L oiine de couant otoique éide dan la difféence de vitee N S et N. On intoduit N N une andeu fondamentale, an dimenion, le liement définit : N Noton que : N = 0 = démaae N = N = 0 ynchonime 0 < N < N S 0 < < (fonctionnement en moteu) N > N S < 0 (fonctionnement en énéatice) C max C dém C nom N N 0 max nom éné Fiue 7 Caactéitique mécanique de la machine aynchone 5

27 Fiue 8 Difféent mode de fonctionnement de la machine aynchone u la caactéitique mécanique. Féquence du oto La féquence de andeu otoique et ootionnelle au liement f R N. En énéal, le liement ea faible et la féquence du oto ea faible elle aui (quelque hetz). Quelle que oit la vitee du oto, le induction du tato et otoique ont toujou la vitee N S. Fiue 8 Le cham du oto et du tato d une machine aynchone tounent à la même vitee. f La fomule de Feai ( N 60 ) nou emet de calcule le divee valeu de vitee de ynchonime oible. f 50Hz (ai de ôle ) N (t / min) Bilan de uiance (Fiue 9) On eut eoue u un diaamme le divee ete de uiance active du moteu : P ab 3U I co P em P u C u P ab js FS Fiue 9 Diaamme de bilan de uiance d une machine aynchone. : Puiance abobée : Pete joule au tato : Pete fe au tato P em : Puiance électomanétique ou uiance tanmie au oto : Pete joule au oto jr j f j f mec 6

28 f : Pete fe au oto mec : Pete mécanique P u : Puiance utile Puiance électique abobée a le tato (Fiue 0): P ab 3U I co Fiue 0 Alimentation du tato d une machine aynchone Pete Joule du tato : i et la éitance d une hae tatoique, alo js 3 I Pete fe tato: comme ou le tanfomateu, elle eont liée au caé de la tenion FS Puiance électomanétique P em, c et la uiance tanmie du tato au oto a le induction tounante à la vitee : Pem C em Pete Joule oto : i et la éitance d une hae du oto et I le couant du oto, on aua : 3 I jr Pete fe otoique : elle ont faible en fonctionnement nomal ca la féquence du oto et etite. On le néliea en atique devant le ete joule dan le conducteu du oto. La uiance mécanique et founie a le oto à la vitee N Pmec Pu mec Cmec Cmec 60 Le ete mécanique mec coeondent à un coule de fottement c mec f La uiance utile, délivée u l abe de otie du moteu, écit en intoduiant le coule N utile : Pu Cu Cu 60 On a évidemment: C C c.l équilibe dynamique du oto imlique l éalité de u mec f coule C em et C mec. Il en éulte une oiété emaquable du moteu : P C P P P em j ab em em P u em P P ab mec P js js FS FS mec jr j f mec En atique, on eut admette : i N = N /, le endement ea inféieu à 0,5 ; i N = 0, 9. N S, le endement ea inféieu à 0,9. Il fauda donc, en atique, limite le fonctionnement du moteu aux faible liement, inon le endement devient faible et l échauffement du oto imotant. SCHEMA EQUIALENT MONOPHASE D UNE MACHINE ASYNCHRONE TRIPHASEE 7

29 Le fonctionnement et en éime tihaé équilibé, on étudie uniquement le andeu elative à une hae. Soit I le couant d une hae tatoique et I celui d une hae du oto. Comme ou le tanfomateu, on eut intoduie le couant manétiant I 0 coeondant au flux et ajoute le couant I F eéentant le ete fe du cicuit manétique : A l aêt, la machine e comote comme un tanfomateu à cham tounant (=) (Fiue ) jl I mi jl I 0 I I F RF I 0 jl M j.n j.n 0 Fiue Schéma équivalent d une machine aynchone, tato et oto ont à la même ulation E E E n On oe : E n E n n n E n Ce équation conduient à un chéma équivalent de tanfomateu dont le imaie et le tato et le econdaie le oto. En otation, le oto et en cout-cicuit et toune à une vitee inféieue à celle du ynchonime. On aua donc le chéma uivant (Fiue ). jl I mi jl I I I F RF I 0 jl M j.n j.n 0 f f Fiue Schéma équivalent d une machine aynchone, tato et oto ont à de ulation difféente A ati du chéma ci-deu on eut écie : E n E n E E n n Ce équation conduient à un chéma équivalent monohaé de la machine aynchone vu du tato : (Fiue 3) 8

30 I jl I jl I I F R F I 0 jl M Fiue 3 Schéma équivalent monohaé de la machine aynchone vu du tato : Réitance du oto vue du tato et l éactance de fuite du oto vu du tato Séaation de ete joule au oto et la uiance électomanétique En faiant aaaîte le ete joule au oto, on eut écie : Si et l ont nélié alo on touve : jl I (Fiue 4) jl I I I I F RF I 0 jl M Fiue 4 Schéma équivalent monohaé de la machine aynchone en nélieant et l Exeion de coule électomanétique : C C em em P em P em 3 3 I I 9

31 30 Dan l exeion de coule on emlace le teme I : jl I ; l I On touve : l l l l I Il en éulte l exeion de coule électomanétique du moteu : 3 3 l l l l C em Exeion de coule au voiinae du fonctionnement nominal L utiliation nomale du moteu aynchone coeond aux faible liement ( < 0, ). l ca et faible. L exeion du couant du oto devient : l I et le calcul étant alo aticulièement imle. Si le liement et faible alo on eut écie : 3 C em n n n C em, avec n et n.en t/ec, ou bien N N N N N N n n n C em , avec N et N. en t/min, achant que N N et contant en éime établi, il en éulte N N K C em. Avec 90 N K Remaque : Le coule maximum coeond à un liement 0 l max 3 l C max x C C nom nom nom

32 Fiue 5 Caactéitique mécanique de la machine aynchone en fonction du liement. Démaae. Coule de démaae : = 3 C dem l Le difféent océdé de démaae ont ou objectif fondamental de limite l intenité abobée tout en maintenant le efomance mécanique de l enemble «moteu-machine entainée»confome au cahie de chae. Dan le ca du moteu aynchone cette limitation de couant et obtenue a : Coulae étoile-tianle. Autotanfomateu Inetion dan chacune de hae du oto bobiné d une ou luieu éitance Inconvénient : le coule moteu qui et ootionnel au caé de la tenion et éduit dan le même aot. Action u la féquence On eut faie vaie la vitee en alimentant le moteu ou une féquence f vaiable au moyen d un cyclo convetieu ou d un onduleu autonome. C et le meilleu moyen d obteni une vitee vaiable Feinae Si on invee deux hae au tato ou obteni un cham tounant en en invee de la otation du oto, on obtient un coule de feinae. On eut aui injecte du couant continu dan le enoulement du tato. On cée un cham de diection fixe dan la machine, le oto et feiné a un coule d autant lu élevé que N et imotante MOTEUR ASYNCHRONE MONOPHASE D aè le théoème de Leblanc, un enoulement monohaé oduit deux induction tounante de vitee S Le moteu ne démae a eul, il faut le lance dan un en ou dan l aute. Pou lance le moteu, on utilie une econde hae, comotant le même nombe de ôle, lacée en quadatue dan l eace a aot à l aute et alimentée a un couant déhaé a un 3

33 condenateu qui fait démae le oto. Un inteuteu centifue eut coue cette hae auxiliaie loque le oto a atteint une cetaine vitee. Fiue 6 Schéma de incie d une machine aynchone monohaé Fiue 7 Le deux coule céé a une machine aynchone monohaée en fonction du liement. QUESTIONS DE COURS Q. Donne la définition de andeu nominale d une machine électique Q. Cite le deux condition ou la céation de coule électomanétique Q3. Que e ae-t-il i N N? Q4. A ati de laque inalétique uivante, détemine le nombe de aie de ôle de moteu coeondant: f =50Hz, N =440t/min f =50Hz, N =90t/min f =50Hz, N =800t/min Q5. Lode de andeu du liement nominal dune machine ynchone et: Inféieu à 0% Suéieu à 0% Q6. Comment eut-on invee le en de otation dun moteu aynchone? Execice. Un moteu aynchone tihaé, à oto en cout-cicuit, oède de enoulement du tato hexa olaie banché en étoile. Sa laque inalétique ote le indication uivante : tenion d alimentation : 440, 60 Hz ; uiance utile : 3, 7 kw ; vitee : 40 t/min ; co 0, 8 Á la chae nominale le moteu abobe un couant en line d intenité 6, 9 A. La éitance, meuée à chaud, ente deux bone du tato et de 0,9. Au démaae, le moteu déveloe un coule utile de 85 Nm. On conidéea la caactéitique mécanique C = f (N) comme une doite dan a atie utile et on néliea le ete fe oto aini que le ete mécanique et a ventilation (le coule utile ea donc éal au coule électomanétique).. Calcule la vitee de ynchonime, le liement, la uiance abobée au éime nominal et le coule utile nominal déveloé.. Calcule le ete fe au tato et le ete Joule au oto. FICHE MEMOIRE A COMPLETER 3

34 33 3 l C em 3 3 l I P em

35 CHAPITRE 5. LES CRITERES DE CHOIX D UN MOTEUR QUELLE TECHNOLOGIE DE MOTEUR : ÉLECTRIQUE OU THERMIQUE? Le choix de la technoloie utiliée déend de l utiliation : - Utiliation édentaie : Accè facile à une alimentation électique : le moteu électique ea choii; - Utiliation embaquée : Stockae de l électicité difficile, echae lonue, autonomie echechée : le moteu themique ea choii (tanot);. Concenant le tanot, il y a de excetion : le feoviaie : énéaliation de moteu électique âce à l alimentation de caténaie et aux diection définie (ce qui n et a vai ou l automobile);. Émeence de véhicule automobile hybide : aociation d un moteu themique et d un moteu électique. Pemet de concilie le avantae de deux moteu. Aot du moteu électique lo de démaae et de eie (demande de fot coule). Comaaion Moteu électique / Moteu themique (tableau ) Rendement La denité d éneie Le coule moteu La éveibilité Le ix d éneie Robutee Moteu électique Plu Le endement de moteu électique déaent le 80% Moin Le meilleue batteie : kwh/l Le lu utiliée : 0. kwh/l Plu Pou une uiance utile de 70kW Moteu électique eut founi 400 Nm, c.à.d. un coule max dè le vitee faible ou nulle Plu Fonctionnement en mode moteu ou énéatice Eale Pix du kwh faible envion 0, /kwh, table Plu Mouvement de otation céé diectement dan la machine coule contant) Peu de fottement- Moteu themique Moin Le endement de moteu themique atteinent au maximum 50% Plu La denité d éneie du aoil 36000kJ/l oit 0 kwh/l Moin Pou une uiance utile de 70kW Moteu themique eut founi un coule de 00 Nm, c.à.d. coule max à oximité de a vitee maximale Moin Le moteu themique en fonctionnement énéatice qui oduiait du cabuant n exite a Eale Pix du aoil :,5 /l (0,-0,5 /kwh), intable Plu Mouvement de otation céé à ati d un mouvement de tanlation (coule non contant) imotant Fottement Tableau. Comaaion Moteu électique / Moteu themique LES CRITERES DE CHOIX D UN MOTEUR ASYNCHRONE Le choix dun moteu aynchone et de on mode de démaae déendent de la uiance intallée du éeau d alimentation (qui définit l ael du couant admiible). 34

36 La chute de tenion au démaae doit ête à ± 5% de la tenion éeau. La tenion d alimentation du moteu doit ête comatible avec celle du éeau. Le moteu aynchone doit ête choii ou fonctionne à uiance nominale, c et à cette uiance que le endement du moteu et le co ont le meilleu Le démaae d un moteu aynchone ne eut avoi lieu que i le coule moteu et à chaque intant uéieu au coule éitant de la machine à entaine. (Le coule éitant d une machine définit l effot que la chae mécanique ooe au maintien de a mie en mouvement. Il exime en Newton mète (Nm)). Coule éitant, uiance et éeau contituent le facteu inciaux ou le choix d un moteu aynchone tihaé et on mode de démaae. Remaque : En citèe de choix on ajoute en lu l inetie? L inetie et une éitance de objet eant au mouvement qui leu et imoé. Elle et d autant lu imotante que la mae de la chae et ande et ooe à la mie en mouvement. Elle et caactéiée a le moment d inetie J, qui exime en k/m. L inetie définie donc le coule néceaie ou mette en mouvement d une mae m. I. CARACTERISTIQUES DE LA MACHINE ENTRAINEE -Moment de iation MD² : il et équivalent au moment d inetie et coeond à l inetie du oto. Il intevient dan le hae de démaae et d aêt du moteu. Execice.5. On e ooe d étudie une ome centifue à axe hoizontale dont le caactéitique ont le uivante : Débit = 0 l/ec. Hauteu manométique totale : 4 m. MD u l abe à 500 t/min : 4,3 k.m. Fonctionnement éviionnel : 4500 h/an cycle en evice S4 Calcule le moment d inetie de la ome centifue J ome à 500 t/min Moment d inetie J ome à 500 t/min -Coube du coule éitant C: il et dû au fottement mécanique, a exemle le alie, mai aui loque le moteu et en chae et qu il doit vaince le coule éitant au démaae. Donne le tye de coule éitant de la machine entaînée. Machine centifue, -Puiance nominale d entaînement P e : elle et en aot avec l enemble de comoant du moteu en aticulie l axe (clavette, diamète de l axe). Calcule la uiance d entaînement P e -Féquence de otation : elle et éie a le nombe de aie de ôle et la féquence du éeau (50 Hz en Fance). N 500t / min 4 -Poition de l axe B ou : la mécanique intéieue et conçue oit ou un axe vetical ou un axe hoizontal. «Pa exemle, ou un moteu conçu ou ête oé hoizontalement, en ca de oe veticale le oulement caent à caue du oid.» Fome de fixation : B 3 Axe hoizontale -Tye de evice S : il et en aot avec l échauffement de enoulement lo de éiode de mache et d aêt du moteu.. Sevice intemittent à démaae. 35

37 -Facteu de mache km : Il et lié au tye de evice, et donc de l échauffement de t h / j enoulement du moteu qui iquent de uchauffe. km 4h / jou 4500 h t h / j : Nombe d heue a jou. t h / j 8h / j. 50 jou de fonctionnement 50 j t h / j 8 a an km 75%. 4h / jou 4 -Condition d utiliation : elle intèent l altitude, la teméatue ambiante. «Pa exemle, i la teméatue ambiante et élevée, le enoulement moteu montent lu haut et lu vite en teméatue ouvant caue la cae du moteu. Pou l altitude, i l on imaine une tè fote altitude (montane), la ventilation du moteu ea mauvaie ca l ai e fait ae en hauteu, il en uit donc une uchauffe i l on oue le moteu au maximum» kt Pou t a 50 C 0, 9 et ou une altitude < 000 m ; k a k a Coection de la uiance Pe en tenant comte de k t, ka et k n n kn kn Pm Pe 7, 8kW, Aè coection P m 8kW : Puiance n k. k 0,9. t a 5 0 h minimale. Duée de vie : P m 8kW d. an Clae B. Su cataloue on 4500h / an touve P m 9kW. Niveau onoe envion 70 db (buit d une conveation couante) II. Alimentation électique : -Tenion dionible U nom : elle coeond à la tenion ente hae. Elle et diectement liée à la céation du cham manétique emettant la otation du oto. U 400 ; aiation de tenion nélieable -Pointe de couant admiible I : le enoulement doivent ouvoi uote une cetaine ointe d intenité, a exemle au démaae, ou à un oblème quelconque. Pointe de couant : I 00A (cahie de chae) ; I max 60A (Founit a le contucteu du moteu). I max I I max 00A Condition de démaae emlie -aiation de tenion U /Un : on eut imaine une baie de tenion u le éeau qui induiait une ete de coule du moteu (Ce= (3²/w)*(/ ) uivi d un aêt du moteu qui n aive lu à entaîne la chae. Cela eut avoi de ave conéquence u une chaîne de oduction, a exemle. aiation de la tenion nélieable (Cahie de chae), 0, U, Féquence d alimentation f : elle et liée à la féquence de otation qui elle-même et liée au nombe de aie de ôle. «Une mauvaie féquence d alimentation ne ouait a faie toune le moteu ou bien l endommaeait.» -Chute de tenion admiible delta U : idem que ou la vaiation de tenion, le moteu doit ouvoi mainteni un cetain coule afin de ne a décoche. U 400 u 3 Tye de accodement B, co 0, 8 -Caactéitique de la line alimentant le moteu : elle doit coeonde aux caactéitique du moteu indiquée u la laque inalétique afin d alimente coectement le enoulement du tato ou faie fonctionne le moteu. Étoile ou tianle 36

38 III. Elément de choix du moteu : -détemine l indice de otection IP : il et a exemle à défini le niveau d étanchéité de la cacae i le moteu et imlanté en milieu humide ou bien encoe conte la ouièe i le moteu e itue dan un milieu ale. IP3, IK07 local de ome -Détemine la clae de iolant : elle emet au moteu d entaîne une chae lu imotante malé une teméatue de enoulement élevée. Clae B Le moteu choii indique : -Le côte d encombement : elle event à avoi le dimenion du moteu (la cacae), cela emet d effectue un choix de l emlacement du moteu, il faut que le local qui l accueil ne oit a to etit ou de oblème de efoidiement, a exemle. -Le côte de fixation : elle emettent de connaîte le dimenion de atte de fixation du moteu -Le andeu mécanique et électique : elle éient le difféent choix de coulae, de tenion/couant, de la féquence éeau etc ou faie fonctionne le moteu dan de bonne condition. Pm 9 Suclaement Pmot 0kW 0,9 0,9 Pa de moteu de 0 kw u le cataloue, on choiit un moteu de kw Hauteu d axe : 60 mm Le moteu LS 60M de kw convient Moteu femé tandad, cacae en aluminium, oto à cae tye LS60M IP55 B3 kw;30 / 400;50Hz; I n C A; C d n I,; I d n 5, N n 440t / min; co 0,87 Cn 37Nm; C 44Nm; J moteu 0,05375Km ; 0,89; m 80k Démaae etenu Démaae étoile-tianle I 37A; C 5Nm; C 9Nm; N 75t / min; t 4,9ec dy Câble etenu dy d c U 000 R 4 x 4 mm d Riide, maive 000 Riide, câblé PC 4 conducteu Section du fil olume du local Q kw; 0,87 P nom 3 Q 0, Pnom 0,.. 0,33m / h 0,87 3 Le volume du local doit ête tel que le enouvellement d aiq 0,33m / h oit uffiant ou aue le fonctionnement nomal du moteu 37

39 Exloitation Coube de coule (Coule moteu et coule éitant) Pou que le moteu entaine une machine, il lui faut un coule de démaae. Celui-ci doit d une at décolle la mae (de moment d inetie J) de la machine et d aute at vaince le coule éitant elatif à la machine. On déine a Ca le coule d accéléation (qui n exite que endant la mie en vitee de la mae d inetie J) et C le coule éitant de la machine (qui e maintien duant tout le fonctionnement du moteu) Aini le Coule de démaae Cd eut e calcule : Cd = Ca + C Coube de Coule d un moteu aynchone Coule moteu (Démaae diect) Au moment du démaae, le coule moteu et en moyenne de,5 à foi le coule nominal. C max C dém C nom C a C N N 0 nom Coule moteu et éitant en fonction de la vitee Execice n Su la fiue ci-deou indique le oint : max éné 38

40 C 0 C 3 C Point de fonctionnement Cd : coule de démaae (à N=0) et C max : Coule moteu max C d 40Nm; Cmax 58Nm En obevant l allue du coule éitant, quelle alication éalie-t-on? Levae Donne la valeu de C : C 0Nm Le moteu démae-t-il? OUI, Cd C ; Cd 40 C 0 Quel oint de la fiue emet de die que le démaae et fini? C C, oint de fonctionnement. En ce oint (éime établi), à quoi et éal Ca et N? 435 C a 0Nm d mec, N 435t / min Que vaut le coule moteu? C mec 0Nm C eéente une chae équivalente à 500K Reéente u la fiue C ou une chae de 750K Le moteu démae-t-il? OUI, Cd C ; Cd 40 C 30 A quelle vitee toune le moteu dan ce condition en éime établi? 400 t/min C 3 eéente une chae de,5 tonne, eéente C 3 Le moteu démae-t-il? NON, Cd C 3 ; Cd 40 C 350 Execice.5 Le PDG de la ociété où vou œuvez décide dachete une nouvelle machine qui equiet 50 chevaux (HP) de uiance continue. Bien û, lalimentation de luine [575, 50Hz, 3h] eut facilement uote cette addition âce à la caacité excédentaie que vou aviez inclue lo de la contuction. o note de tavail évèlent que vote chae actuelle et de 365kW avec un facteu de uiance de 0.7 en etad et que vou ête ou eion deui un bon moment ou monte le facteu de uiance à 90%. Le donnée et ooition uivante vou ont founie a un enteeneu électicien : Otion n : moteu aynchone lu condenateu. Otion n : moteu ynchone (facteu de uiance=00%) lu condenateu. Otion n 3 : moteu ynchone (facteu de uiance=80% en avance) lu condenateu. Un moteu aynchone coûteait 50 ; un moteu ynchone avec un facteu de uiance de 00% (incluant le edeeu) coûteait 885 ; un moteu ynchone avec un facteu de uiance de 0,8 (edeeu inclu) coûteait 006 ; le endement de tou ce moteu et de 88%; le moteu aynchone a un facteu de uiance de 0,89 à chae nominale; le coût de condenateu à 575 et de le k A. Le coût dintallation ea de : 9% du ix dachat ou le moteu aynchone; % du ix dachat ou le moteu ynchone;,0 /k A ou le condenateu. 39

41 Conidéant que le toi otion ont une duée de vie identique et que le condenateu ont dionible en oue de 5kA, quelle olution et la lu économique? FICHE MEMOIRE A COMPLETER 40

42 CHAPITRE 6. INTRODUCTION A L ELECTRONIQUE DE PUISSANCE Qu et-ce que c et «l Electonique de Puiance» L électonique de uiance et la banche de l électotechnique qui a ou objet l étude de la conveion tatique d éneie électique. Quel dioitif emet de éalie la conveion tatique? La conveion tatique et éaliée a de convetieu tatique Néceité de conveion de l éneie Le difféent éeaux électique indutiel alimentent de nombeux actionneu. Cette éneie aaaît ou deux fome : altenative ou continue. Suivant le tye d actionneu, il et néceaie d adate la fome de l éneie founie a le éeau. Le difféente oibilité aaaient à la fiue ci-deou. Souce continue Action u la valeu moyenne Hacheu Réceteu continu Souce altenative Gadateu Action u la valeu efficace L électonique de uiance et l utiliation en électotechnique de emi-conducteu de uiance dont le toi inciaux ont : la diode, le thyito et le tanito Lélectonique de uiance emet de emlace le tanfomation déneie effectuée autefoi a de oue de machine tounante ; Le edeeu à diode et équivalent à la dynamo Le edeeu contôlé ont analoue à un oue moteu aynchone /couant continu Le adateu emlacent le autotanfomateu à ie vaiable ou à cueu ; Londuleu autonome et analoue à un oue moteu à couant continu / altenateu ; Le hacheu, et analoue à un héotat vaiable ou un elai vibeu Nou ditinueon toi comoant qui ont : La diode Le thyito Le tanito Redeeu Onduleu Réceteu altenatif LA DIODE En électonique de uiance, on ne enda en comte que la diode à jonction utiliée comme diode de edeement 4

43 Fiue. Symbole d une diode Fiue. Sen diect la diode et aante Sen invee : la diode et bloquée Le toi citèe inciaux de choix d une diode ont : I 0 le couant diect moyen RRM la tenion invee de cête éétitive Le tye de boîtie Fiue 3. Quelque tye de boitie d une diode Execice.6: Quelle et la caactéitique I AK = f( AK ) dune diode idéale en convention éceteu? Fiue ci-deou LE THYRISTOR Le thyito et une diode à jonction à amoçae commandée a une âchette. Fiue 4. Symbole d un thyito Fiue 5. Le toi état d un thyito 4

44 Le citèe inciaux de choix d un thyito ont : I 0 le couant diect moyen à l état aant I T (RMS) le couant efficace à l état aant RRM la tenion invee de cête éétitive DRM la tenion diecte de cête éétitive à l état bloqué Le tem d amoçae et de déamoçae Le tye de boîtie Fiue 6. Quelque tye de boitie d un thyito Tableau. Potection d un thyito Fiue 7. Fome d one de la tenion de otie Execice.6: Donne le condition ou amoce un thyito: Il faut : LE TRANSISTOR Le tanito et un emi-conducteu commandé. Il exite deux tye de tanito.. Tanito biolaie commandé a couant électique IB u la bae.. Tanito uniolaie commandé a une tenion GS ente ille et ouce. Tanito biolaie Fiue 8. Symbole d un tanito biolaie 43

45 Fiue 9. Le toi état d un tanito biolaie Fiue 0. Potection d un tanito Fiue. Quelque tye de boitie d un tanito Execice 3.6 Comléte ou chacun de 4 oint l état du tanito ci-deou : aant, atué, cout-cicuité ou bloqué P, il faut que le tanito oit : Q, il faut que le tanito oit : R, il faut que le tanito oit : S, il faut que le tanito oit : Le tanito uniolaie Pinciaux tye : Tanito à jonction à effet de cham : tanito FET (Field Effect Tanito) Tanito MOS (Metal Oxyde Semiconducteu) 44

46 Fiue. Symbole d un tanito uniolaie Conveion AC - DC : le edeeu Le edeeu emettent d obteni une tenion de valeu moyenne non nulle à ati d une tenion altenative (monohaée ou tihaée) de valeu moyenne nulle Le edeeu commandé emettent de éle la valeu moyenne de la tenion edeée. On eut cite (en étant loin de e monte exhautif) : Le alimentation ou télévieu, odinateu La chae d accumulateu L inteconnexion de éeau et le tanot d éneie en couant continu à haute tenion (Fance /Anletee) Sou tation à edeeu ou la taction à couant continu. Bain électolytique ou alvanique, etc. Le ont edeeu euvent ête diectement founi a le contucteu ou fome de boîtie moulé ou le faible et moyenne uiance ou bien en élément unitaie éuni u un diiateu ou le uiance imotante Choix d un ont edeeu : il déend en emie lieu de l utiliation echechée Alimentation monohaée Alimentation tihaée Pont uniquement de diode Pont mixte ymétique ou aymétique Pont uniquement de diode Ba de ont à diode, à thyito, mixte En éumé Un edeeu et un convetieu tatique de uiance qui tanfome le couant altenatif d un éeau en couant continu. On aelle onduleu non autonome le même aaeil éaliant la tanfomation invee ; l éneie néceaie à l extinction de thyito et founie a le éeau altenatif, qui et donc actif. Le edeeu non commandé Le but du edeement et d obteni, à ati d un couant altenatif, un couant unidiectionnel le lu oche oible du couant continu et adaté en tenion. Fiue 3. Symbole d un ont edeeu On le dit «non commandé» ca, une foi le tye de montae choii, on ne eut a ai u la tenion de otie. Elle ne déend que de la tenion d entée (et dan une moinde meue de la chae). 45

47 REDRESSEUR P i P * * i c v P 0 v AK d R n n Fiue 4. Redeeu imle altenance P Execice 4.6 Le imaie du tanfomateu étant alimenté a une tenion inuoïdale (fiue ci-deou) telle que la valeu efficace de la tenion econdaie oit 0, on éalie le montae ci-deou, dan lequel la diode et uoée idéale. i P * i * c B A v P 0 0 v AK d R 0. Calcule la valeu maximale de la tenion econdaie. A) Reéente, locilloamme de la voie A. B) Reéente locilloamme de la voie B. C) Reéente locilloamme de la voie (A-B).. Calcule la valeu moyenne de la tenion d (t) aux bone de la éitance R. On aelle que : n 0 max 0 d 0 max 0 n REDRESSEUR PD (PONT DE GRAËTZ) Le montae utilie 4 diode ou edee une tenion altenative i c i P * * i D i i 3 D 3 R v P n n 0 D 4 i4 i D Fiue 5. Redeeu double altenance PD Execice 5.6 Le edeeu et un ont de Gaëtz monohaé à quate diode (Fiue 5) uoée afaite. ) Donne un chéma de incie de ce ont edeeu en faiant fiue le quate diode. ) Reéente lallue de la tenion edeée à la otie du ont, loque la valeu efficace de la tenion dalimentation et de 55 et a féquence de 50 Hz. On éciea la valeu maximale de la tenion 0 max 0 0 max RRM d L 46

48 3) Calcule la valeu moyenne d de la tenion edeée. On aelle que : d 0 max REDRESSEUR P3 Gâce à 3 diode fomant a exemle un commutateu "lu oitif", à chaque intant, la bone M et eliée à la lu oitive de bone,, 3. La tenion edeée C et ecueillie ente M et le oint neute N. La fiue 6 eéente le montae P3, avec le commutateu à toi diode i P i P v0 v0 I v I v D D I d Chae i P 3 n v03 n I v3 D 3 d Fiue 6. Redeeu imle altenance. Montae aallèle P3. Seule la diode dont lanode et au lu haut otentiel eut conduie. Suoon quà un intant donné, v et la tenion la lu élevée. Si la diode D conduit v 0, v ) ; D e touve ou la tenion : v v v v v 0 ( AK c v AK c d 0 t v AK Fiue 7. Montae P3 : tenion edeée. La tenion moyenne : d,7 0 Tenion invee maximale aux bone d une diode : 0max max RRM Etude de couant Couant dan la chae. Ce couant et contant a hyothèe (chae fotement inductive). Le montae P3 éente à chaque intant une diode ucetible dête aante. Lhyothèe davoi I d contant et donc éalite. Couant dan une diode. Le couant dan le diode et éal à i d loque la diode conidéée et aante. Il et éal à 0 i la diode et bloquée. Chaque diode et donc acouue a un couant dintenité i d endant une faction /q de la éiode T de tenion dalimentation. Lintenité i v du couant taveant D évolue donc comme lindique la fiue 8. 47

49 i d i v i v i v3 I v D I v D I d 0 T 3 T T t I v3 D 3 3 Fiue 8. Montae P3. Couant dan une diode. REDRESSEUR PD3 La fiue 9 eéente le edeeu PD3. Ce montae et à comae au ont de Gaëtz en monohaé et à ce tite il eut éalement ête aelé tihaé double altenance. I d L R v v0 U U 0 I v D D D 3 d n n D D D 3 Fiue 9. Redeeu double altenance. Montae PD3. Fiue 0. Montae PD3 - tenion edeée. 48

50 La tenion moyenne : d, max RRM Tenion invee maximale aux bone d une diode : 0max 3 0 Concluion Le facteu de uiance et maximum en tihaé. A uiance active dionible ou l utiliateu P ab et amlitude de la tenion edeée U cmax donnée, la mae de cuive concenant le tanfomateu et la lu faible en tihaé. Le facteu de uiance de montae aallèle double et meilleu que celui de montae aallèle imle. On eut donc conclue que le montae PD3 et le lu efficace (idem S3) de montae aallèle ou ce qui concene la entabilité du tanfomateu. Il et clai ceendant que ce montae néceite 6 diode au lieu de 3 ou le montae P3. Fiue. Le cinq montae de bae Fiue. Fome et valeu de cinq montae de bae Tenion d entée : tenion efficace au econdaie du tanfo, notée 0 u le chéma 49

51 Tenion de otie : tenion moyenne aux bone de la chae, notée d Filtae et liae Pou amélioe le taux d ondulation, on eut "filte" la tenion de otie en laçant un condenateu en aallèle et/ou la "lie" à l aide d une elf (bobine) de liae lacée en éie avec le éceteu. Fiue 3. Effet du condenateu eul Effet de la bobine eule Le edeeu commandé Le edeement imle ne emet a de éle la tenion de otie. Un ont edeeu commandé va emette de faie vaie la valeu de cette tenion en fonction du ont choii et de on «etad» à la commande de thyito. Quetion de cou Redeeu Q. Quel et le but du edeement? Q. Quelle andeu emet de meue la qualité d un couant edeé? Q3. Quel élément ont utilié ou amélioe la qualité du couant edeé? Quel ont leu ôle eectif? Q4. Quel inteuteu électonique emet de faie vaie la tenion de otie d un edeeu commandé? Execice 6.6 : Quelle tenion altenative doit-on avoi au econdaie d un tanfo ou obteni une tenion moyenne de 4 à la otie d un ont PD? On connaît d = 4 et on cheche 0. Réone. 0 max RRM v Su le tableau, on lit 0,, donc d Execice 7.6 : Quel ont le couant I v et tenion RRM ou une diode d un ont edeeu P3 qui alimente une chae I d = 0 A ou d =

52 Coié 0 max RRM Execice 8.6 On ouhaite chae une batteie (48 et 0Ah) à ati du éeau monohaé 30.. Quel convetieu allez-vou utilie? Jutifie. Un edeeu ca altenatif ve continu.. Quel ont le tye oible? On choiia a la uite un ont P. Indique la tenion néceaie au econdaie du tanfomateu. Calcule la uiance néceaie au econdaie du tanfomateu. Donne le caactéitique de diode (couant, tenion) Execice 9.6 : Redeeu non commandé Un ont edeeu PD dont le 4 diode ont uoée afaite, alimentant une éitance de 0 Ohm. Calcule : la valeu efficace de 0 ou obteni d = 5 L intenité moyenne I d du couant débitée dan la éitance R 3 L intenité maximale dan une diode Iv max 4 L intenité moyenne dan une diode Iv 5 L intenité efficace dan la chae I deff 6 L intenité efficace dan une diode I veff Coié 5

53 Execice 0.6: On a éalié une alimentation à ati du ecteu (fiue ci-deou) detinée à faie fonctionne un moteu à couant continu. Un ocillocoe a emi d obteni le ocilloamme uivant : Y A Y A T D D L Y B Secteu EDF 0/50Hz Y C IN u C 0 MCC u D3 D 4 D 3 = i C Y B Y C. Le tanfomateu T et un tanfomateu : a. abaieu de tenion ; b. élévateu de tenion.. Le aot de tanfomation m du tanfomateu T et éal à : a. 0 ; b. 0 ; c. ; d. 0, ; e. 0,05 ; f. 0,0. 3. La tenion u c aux bone de la chae et : a. continue ; b. unidiectionnelle ; c. bidiectionnelle ; d. inuoïdale. 4. La féquence de la tenion u c et éale à : a. 00 Hz ; b. 00 Hz ; c. 50 Hz ; d. 5 Hz 5. Le couant i c et : a. continu ; b. altenatif ; c. bidiectionnel ; d. inuoïdale. 6. Lintenité du couant ic et éale à : a. 0,5 A ; b. 0,5 A ; c. 4 A ; d. A ; e. A. 7. La féquence de la tenion u D3, tenion aux bone de la diode D3 et : a. 00 Hz ; b. 00 Hz ; c. 50 Hz ; d. 5 Hz. itee de balayae :...5 m.. /cm XY X = voie... Senibilité YA : /cm ( tenion : ) YB : /cm ( tenion : ) YC : /cm ( tenion : ) 5

54 8. La tenion aux bone dune de toi aute diode et identique à la tenion aux bone de la diode D3, cet : a. la tenion aux bone de la diode D ; b. la tenion aux bone de la diode D ; c. la tenion aux bone de la diode D4. 9. Pami le diode dont le caactéitique vou ont donnée ci-deou, laquelle faut-il choii? a. N 448 (I F (couant diect continu) = 50 ma ; RRM (tenion de ointe invee éétitive) = 75 ) ; b. BA 9 (I F = 00 ma ; RRM = 00 ) ; c. N 400 (I F = A ; RRM = 50 ). 0. La bobine L, montée en éie avec le moteu à couant continu, emet de : a. filte la tenion u c et la ende oche dune tenion continue ; b. limite lintenité du couant i c ; c. lie le couant i c et le ende oche dun couant continu ; d. limite la tenion invee uotée a le diode. FICHE MEMOIRE A COMPLETER 53

55 CHAPITRE 7 CRITERE DE CHOIX D UN ARIATEURS DE ITESSE POUR MACHINES ELECTRIQUES Un vaiateu de vitee et un aaeil électonique emettant la éulation ou la commande de la vitee de moteu électique. La tuctue, le incie hyique, la technoloie mie en jeu dan le vaiateu déendent eentiellement du moteu utilié. Il exite 3 tye de moteu électique elon de choix hyique difféent : Le moteu à couant continu Le moteu ynchone Le moteu aynchone Le alication de la vaiation de vitee ont tè vate (de la obotique au TG), d où l exitence d une multitude de vaiateu de vitee. On eut cite quelque fabicant : Télémécanique, Siemen, Danfo, Céélec, CGE, Mitubihi. Choix d un vaiateu de vitee électonique Un vaiateu de vitee et défini en tem. Le choix ote d abod u une technoloie. Il exite luieu amme de vaiateu de vitee dont la technoloie et liée à la natue du éeau d alimentation et au tye de moteu.. Enuite, à la amme adatée, le vaiateu et choii elon la uiance, la natue de l alication à taite le quadant de fonctionnement. On eut alo ée toute le hae d alimentation d un moteu (démaae, fonctionnement nominal et feinae) Il exite luieu tye de vaiateu de vitee électonique: LE REDRESSEUR Le but du edeement et d obteni, à ati d un couant altenatif, un couant unidiectionnel le lu oche oible du couant continu et adaté en tenion. Fiue. Le et montae de bae 54

56 L ONDULEUR L ONDULEUR ASSISTE On difféencie un éceteu d un énéateu a l oientation de flèche tenion et intenité Dan un ont edeeu, le couant dan la chae et toujou de même en en aion de la olaiation de comoant (thyito ou diode). Mai l évolution de la tenion déend de l anle de etad de thyito, dan le ont tout thyito, la tenion moyenne d eut deveni néative : le éceteu devient donc énéateu Fiue. Tenion de otie ou Fiue 3. Exemle d utiliation d onduleu aité L ONDULEUR AUTONOME L onduleu autonome cée une tenion altenative vaiable (ou fixe), de féquence vaiable (ou fixe) à ati d une tenion continue. Il ont incialement utilié dan deux ca : ou alimente le moteu à couant altenatif dont on veut faie vaie la vitee et ou obteni de l altenatif en ite iolé avec de anneaux olaie ou de batteie. Fiue 4. Symbole d un onduleu autonome et fome d onde de tenion de otie Fiue 5. Onduleu monohaé en ont 55

57 Fiue 5.. Pincie de fonctionnement d un onduleu monohaé en ont LE HACHEUR Un hacheu a ou ôle de founi une tenion continue vaiable à ati d une tenion continue fixe. Il ont incialement utilié ou alimente le moteu à couant continu dont on veut faie vaie la vitee. Fiue 6. Symbole d un hacheu et fome d onde de tenion de otie Pincie du hacheu Dan un cicuit en couant continu, la âchette d un thyito eçoit un couant I G ou la bae d un tanito un couant I B, il devient aant endant un tem t. Et ui, la bae n et lu alimentée ou, âce à un cicuit de blocae, le thyito e bloque endant un tem t. Enuite, le comoant H edevient aant ou un tem t, etc. t Tenion de otie : ch é E T Il exite deux ote de hacheu : Le hacheu éie (ou dévolteu) La tenion moyenne aux bone de la chae ne eut ête que lu etite ou au maximum éale à la tenion d alimentation E. ch ch E 56

58 Fiue 7. Le hacheu éie Le hacheu aallèle (ou uvolteu) En hae de feinae, il emet au moteu devenu énéatice de éinjecte de l éneie dan la batteie. Contaiement au incie de l onduleu aité où le en du couant était fixé une foi ou toute, ici, c et le couant qui invee et ente a le + de la batteie. Fiue 8. Le hacheu aallèle LE GRADATEUR Un adateu emet de founi, à ati d un couant altenatif de tenion fixe, une tenion altenative de valeu élable. Fiue 9. Symbole d un adateu et tenion de otie Il exite deux ote de adateu : GRADATEUR A ANGLE DE PHASE Pincie T Le âchette de thyito ont commandée avec un etad comi ente 0 et T / coeondant à un anle de hae ou anle d amoçae comi ente 0 et adian. Si 0, la inuoïde et comlète. ch éeau Si, le thyito ont amocé au moment du chanement d altenance. 0 ch 57