Luc Lasne. Exercices et problèmes. d électrotechnique. Notions de base, réseaux et machines électriques. 2 e édition

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1 Luc Lasne Exercices et problèmes d électrotechnique Notions de base, réseaux et machines électriques 2 e édition

2 Dunod, Paris, 2011 ISBN

3 Avant propos Dunod La photocopie non autorisée est un délit. La seconde édition de cet ouvrage contient 7 synthèses de cours, 38 exercices et 13 problèmes, tous corrigés de façon particulièrement détaillée de manière à traiter des applications diverses du domaine «énergétique» de l électricité, ou encore de «l électrotechnique». Cette matière, qui prend une place importante dans l industrie et les sciences physiques, est finalement assez «vaste» et couvre des domaines en apparence assez différents, tels l étude des circuits triphasés, l étude du magnétisme et des «circuits magnétiques», celle des machines électriques tournantes, ou encore l étude harmonique des courants et tensions électriques. De plus, c est une matière fortement liée à l histoire des techniques qui possède aujourd hui ses particularités, son langage propre, ses outils incontournables. Elle nécessite des bases solides en étude des circuits électriques et des connaissances sûres dans le domaine des puissances électriques, du magnétisme, etc. Les bonnes démarches associées à la progression dans ces différents domaines ne peuvent s'acquérir qu'en se «mettant à l'épreuve» sur des exercices variés avant d'aborder des sujets plus complets. Sur le plan de la réussite scolaire, ce travail est logiquement «fructueux» et il n existe sûrement pas de meilleur moyen de révision pour un étudiant que de traiter une série d exercices adaptée à son programme Voilà pourquoi cet ouvrage propose, pour chaque thème abordé, une progression identique : une synthèse de cours qui présente sans détours les notions «incontournables», une série d'exercices permettant de gagner en confiance et de cerner facilement les points à éclaircir et, pour finir, un ou plusieurs problèmes plus ardus. Les différents thèmes sont abordés dans une certaine idée de progression et il est vivement conseillé de respecter cet ordre afin de profiter d'une vision cohérente de la

4 VI Avant propos matière. Parmi ces problèmes figurent d'ailleurs quatre sujets de «synthèse» nécessitant chacun un certain recul sur les notions abordées au préalable. En définitive, cet ouvrage destiné aux étudiants des filières «physique et sciences de l ingénieur» désirant préparer correctement leurs épreuves d'électrotechnique, se révèlera également un recueil intéressant de sujets permettant la préparation des concours spécialisés CAPES, CAPET et Agrégation, et des Masters de l'enseignement. Si cette seconde édition présente des synthèses de cours permettant une lecture aisée des notions importantes, l ouvrage de cours «Electrotechnique» du même auteur et dans la même collection «Sciences Sup» (EAN13 : ), s avère un complément intéressant dans lequel l intégralité des démonstrations et des démarches est traitée, ainsi que de nombreux chapitres abordant les notions «avancées», comme l étude des déséquilibres par les composantes symétriques, le magnétisme des aimants permanents, les modèles matriciels des machines tournantes, les réseaux électriques, etc. Le lecteur désireux de parfaire son approche y trouvera également dans chaque chapitre des exercices corrigés, différents de ceux de ce recueil.

5 Remerciements Dunod La photocopie non autorisée est un délit. Je tiens tout particulièrement à remercier M. Jean-Claude Gianduzzo, ancien chercheur de l'université de Bordeaux 1, pour ses nombreuses réponses à mes questions, ses connaissances et son aptitude toute particulière à les transmettre. Merci également à Didier Geoffroy pour ses précieuses indications sur l'alternateur relié au réseau, et sa présence au quotidien. Je remercie tout particulièrement mes anciens professeurs de l'ens de Cachan qui ont su me donner le goût de cette matière passionnante qu'est l'électrotechnique, ainsi que Mr Paul Bourgois sans qui mes orientations scolaires auraient été peut être été très différentes. Merci enfin au groupe Merlin-Gérin / Schneider-electric pour leur aimable autorisation d'utilisation de documentation constructeur. Je joins à ces remerciements une pensée à tous les collègues et amis du monde de l'enseignement et des sciences. Plus personnellement et de façon infiniment plus intime je remercie Armelle, ma femme, et ma petite Salomé pour leur patience lors de la rédaction de cet ouvrage. Merci pour tout l'amour qu'elles m'apportent jour après jour De la même manière, je ne saurai oublier ma maman et ma sœur, et je profite de cette nouvelle édition pour embrasser mon petit Vadim qui grandit aujourd hui à côté de sa sœur.

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7 Table des matières AVANT PROPOS V CHAPITRE 1 CIRCUITS MONOPHASÉS ET TRIPHASÉS, PUISSANCES ÉLECTRIQUES 1 Dunod La photocopie non autorisée est un délit. 1.1 Synthèse de cours n 1 : Circuits monophasés et puissances électriques, cas particulier du régime sinusoïdal Lois de base et conventions des circuits électriques Récepteurs électriques linéaires Régime continu et régimes variables Valeurs caractéristiques des régimes périodiques quelconques Le régime sinusoïdal et sa représentation complexe Les puissances électriques Série d exercices n 1 : Circuits monophasés et puissances électriques Énoncés Correction des exercices Synthèse de cours n 2 : Systèmes triphasés Système triphasé : les bases Puissances en triphasé Schéma équivalent monophasé d un système équilibré Série d exercices n 2 : Circuits triphasés Énoncés Correction des exercices 30

8 X Exercices et problèmes d électrotechnique 1.5 Problème n 1 : Charges monophasées et triphasées Énoncé Correction détaillée Problème n 2 : Systèmes triphasés déséquilibrés Énoncé Correction détaillée Problème n 3 : Sujet de synthèsecalcul complexe, Circuits monophasés et triphasés Énoncé Correction détaillée 62 CHAPITRE 2 CIRCUITS MAGNÉTIQUES ET TRANSFORMATEURS Synthèse de cours n 3 : Circuits magnétiques et transformateurs Circuits magnétiques en électrotechnique Circuits magnétiques en régime alternatif sinusoïdal Transformateurs Transformateurs triphasés Série d exercices n 3 : Circuits magnétiques et transformateurs Énoncés Correction des exercices Problème n 4 : Caractérisation et utilisation de transformateur industriel, mise en parallèle de transformateurs Énoncé Correction détaillée Problème n 5 : Modélisation d un tronçon de réseau, conclusions sur la nécessité d interconnexion des réseaux Énoncé Correction détaillée Problème n 6 : Sujet de synthèse, Magnétisme, circuits triphasés et adaptation d impédances Énoncé Correction détaillée 120 CHAPITRE 3 CHARGES NON LINÉAIRES, HARMONIQUES DE COURANTS ET RÉGIMES TRANSITOIRES Synthèse de cours n 4 : Charges non linéaires, harmoniques de courants et régimes transitoires Charges non linéaires et puissances en régime déformé Décomposition du courant en série de Fourier, notion d harmoniques de courant Les régimes transitoires en électrotechnique Série d exercices n 4 : Grandeurs non sinusoïdales et régimes transitoires Énoncés 133

9 Table des matières XI Correction des exercices Problème n 7 : Charges non-linéaires, propagation et conséquences des courants non sinusoïdaux Énoncé Correction détaillée 147 CHAPITRE 4 MACHINES À COURANT CONTINU Synthèse de cours n 5 : Machines à courant continu Principe et constitution de la machine à courant continu Schémas équivalents de la machine, fonctionnements en moteur et en génératrice Montages série et parallèle (shunt) Série d exercices n 5 : Machines à courant continu Énoncés Correction des exercices Problème n 8 : Choix et caractérisation d une machine à courant continu pour une utilisation embarquée Énoncé Correction détaillée Problème n 9 : Machine à courant continu : réversibilité et régimes transitoires Énoncé Correction détaillée 185 CHAPITRE 5 MACHINES SYNCHRONES 193 Dunod La photocopie non autorisée est un délit. 5.1 Synthèse de cours n 6 : Champs tournants et Machines synchrones Notion de champ tournant Machines synchrones Fonctionnements moteur et alternateur, écoulement des puissances et rendement Alternateur couplé à un réseau Série d exercices n 6 : Machines synchrones et alternateurs Énoncés Correction des exercices Problème n 10 : Étude d un alternateur / moteur de centrale hydroélectrique Énoncé Correction détaillée Problème n 11 : Alternateur raccordé au réseau, compensateur synchrone Énoncé Correction détaillée 225