I- Généralités Le point commun des méthodes de production d électricité par éolienne, centrale hydraulique ou centrale nucléaire est la transformation (ou conversion) mécanique/électrique. Elle est présente dans les domaines de l habitat, du transport, dans le domaine industriel mais également en horlogerie, en informatique, électroménager II- Les différents types de machines II-1 La machine à courant continu Elle permet de convertir une énergie électrique en énergie mécanique ou une énergie mécanique en énergie électrique. On dit que c'est une machine réversible. Le moteur est constitué d'un rotor (partie mobile ou induit) et d'un stator (partie fixe ou inducteur). L'inducteur peut prendre 2 formes : soit un aimant permanent soit une bobine qui crée un champ magnétique lorsqu'elle est alimentée L induit subit les effets de ce champ magnétique. Le collecteur et les balais (dans le cas d un rotor bobiné) permettent de rentrer en contact avec le rotor. Variable Nom Unité Formule E Force électromotrice (fem) Volt (V) K Constante définie lors de la fabrication de la machine E=K.φ. Ω φ Flux maximum traversant les spires Weber (Wb) Ω Fréquence de rotation Rad/s Cem ou Couple électromagnétique Newton mètre Tem (Nm) Cem = K.φ.I = K.I I Courant de l induit Ampère (A) R Résistance du bobinage Ohm (Ω) U = E +R.I U Tension aux bornes de l induit Volt (V) 1/9
II-2 La machine asynchrone Le moteur asynchrone triphasé est largement utilisé dans l'industrie, sa simplicité de construction en fait un matériel très fiable et qui demande peu d'entretien. Il est composé d'une partie fixe, le stator qui comporte trois enroulements (bobines) décalés dans l espace de 120 parcourus par des courants alternatifs triphasés décalés dans le temps de 120, et possède p paires de pôles. Les courants alternatifs dans le stator créent un champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme n s. La partie rotative, le rotor n est relié à aucune alimentation. Il est constitué d une masse métallique. On parle souvent de rotor à cage d écureuil. On dit aussi qu il est en court-circuit. Il tourne à la vitesse de rotation n < n s Il existe deux possibilités pour constituer le rotor (l induit) : soit le rotor est bobiné, soit il est à cage d écureuil. Dans ce cas, il est constitué de barres conductrices dont les extrémités sont reliées par les couronnes, on parle de rotor en court-circuit. Le moteur à cage d écureuil est très répandu car il nécessite une faible maintenance (pas de balais). En réaction au champ tournant statorique, il se crée au rotor des courants s opposant à la variation de flux (loi de Lentz) qui sont responsables d un couple qui tend à mettre le rotor en mouvement. Variable Nom Unité Formule Ωs Fréquence de synchronisme du champ tournant rad/s w Pulsation des courants alternatifs rad/s Ωs = w/p p Nombre de paires de pôles f fréquence hz f=w/(2π) n Vitesse de rotation tr/min n=2.π.w/60 g glissement % g =(ns-n)/ns Ω Fréquence de rotation rad/s Pem Puissance électromagnétique W Cem ou Couple électromagnétique N.m Pem = Cem. Ω Tem Pem = 3.Rr.(1-g).Ir 2 /g Rr Résistance rotorique Ω Ir Courant rotorique A 2/9
Exercice 1 Un moteur asynchrone tourne à 965 tr/min avec un glissement de 3%. Il est alimenté par le réseau EDF Calculer le nombre de paires de pôles de ce moteur. Le couplage Le stator est constitué de trois enroulements qui peuvent être couplés (branchés) en étoile (Y) ou en triangle (Δ). Exercice 2 Les tensions indiquées sur la plaque signalétique d un moteur asynchrone triphasé sont 400V/690V, 50Hz (c est-àdire que la tension aux bornes d un enroulement est de 400V.). On désire utiliser ce moteur sur un réseau 230V/400V (tension simple 230V et composée de 400V) Quel est le couplage à utiliser? II-3 La machine synchrone La machine synchrone est utilisée dans le domaine de la production d électricité. Associé à une turbine, le générateur synchrone permet d obtenir des signaux électriques alternatifs à la fréquence désirée. Elle est utilisée dans les barrages hydroélectriques, les centrales nucléaires, les centrales thermiques. Le stator est constitué de la même manière qu une machine asynchrone, il est le siège d un champ tournant dont la vitesse dépend du nombre de paires de pôles p. 3/9
Le rotor possède également p paires de pôles. Il est constitué soit d un enroulement parcouru par un courant d excitation ou bien d un aimant permanent. Le rotor tourne à la même vitesse que le champ statorique, on parle de synchronisme. III- Les bilans de puissances Exercice 3 Le disque du lecteur de CD-ROM est entrainé en rotation par un moteur à courant continu à aimants permanents et à flux constant. Lors d un essai on a relevé : U=13,5V I=3A N=6000 tr/min R=0,1 Ω Cpertes = 3 mn.m Calculer la constante du moteur Calculer le couple utile Calculer les puissances utile et absorbée Calculer le rendement 4/9
III.1 Activité 1 La plaque signalétique du moteur asynchrone d une motopompe porte les indications suivantes : Le réseau de distribution électrique disponible est le réseau EDF triphasé, 380 V entre phases. Nous cherchons à estimer, lors du fonctionnement nominal, les performances du moteur. Indiquer le couplage pour brancher ce moteur sur le réseau. Estimer la valeur de la vitesse de synchronisme et en déduire le nombre de paires de pôles de ce moteur. Calculer le glissement lors d un fonctionnement nominal. Calculer les pertes du moteur pour un fonctionnement nominal. III.2 Activité 2 L alimentation électrique d un Airbus A320 est réalisée par des alternateurs de 90 kva qui délivrent un réseau de tension triphasée de tension composée 200 V et de fréquence 400 Hz. Les caractéristiques de l alternateur sont les suivantes : N = 12000 tr/min Cos(ϕ) = 0,85 R = 10 mω Pc = 8,4 kw 5/9
En fonctionnement nominal : Calculer la pulsation des tensions de sortie de l alternateur. Déterminer le nombre de paires de pôles de la machine. Calculer la valeur efficace du courant d induit nominal. Calculer les pertes Joules dans la machine. Calculer la puissance utile en fonctionnement nominal. Calculer la puissance absorbée par l alternateur. En déduire le rendement de la machine. 6/9
IV Exercices d applications IV.1 Etude d un moteur au fonctionnement nominal L inducteur d un moteur à courant continu à. aimants permanents maintient sous les pôles un flux constant : φ = 25mWb. La plaque signalétique indique les valeurs nominales de l induit : tension d alimentation : U = 220 V ; intensité du courant absorbé : I = 12 A ; vitesse de rotation : n = 1 500 tr / min ; puissance mécanique utile : Pu = 2 kw. On a mesuré, à la température de fonctionnement, la résistance de l induit R = 2Ω. Calculer la fem E de l induit. Donner l expression de la fem E en fonction de la constante K et de la vitesse de rotation Ω. En déduire la constante K du moteur en V.rad -1.s. Calculer le moment Cem du couple électromagnétique. Calculer le moment Cu du couple utile sur l arbre du moteur. Effectuer un bilan de puissance de ce moteur. 7/9
IV.2 Moteur triphasé asynchrone Un moteur triphasé asynchrone à 2 paires de pôles à cage d écureuil possède les caractéristiques suivantes : 230 V/400 V, 50 Hz. La résistance d un enroulement statorique est R = 0,65 Ω. Ce moteur est alimenté par un réseau 400 V entre phases. Déterminer le couplage du moteur et sa vitesse de synchronisme. A vide, le moteur tourne à une vitesse proche de la vitesse de synchronisme, il absorbe un courant de 4,95 A et une puissance de 810 W. Déterminer les pertes Joules à vide et les pertes au stator, sachant que les pertes mécaniques sont évaluées à 500 W. En fonctionnement nominal, le courant de ligne vaut 15 A, cosϕ= 0,86 et n = 1 440 tr/min. Déterminer le glissement, les pertes Joules en charge, la puissance absorbée, la puissance transmise au rotor, la puissance utile et le rendement. (on donne les pertes joule au rotor Pjr = g.ptr) 8/9
IV.3 Bilan énergétique d une pompe à chaleur Des mesures en fonctionnement normal sur une micro-centrale hydroélectrique équipée d un alternateur indiquent une consommation de 700 A pour une puissance de 2,4 MW et un rendement de 0,88. Le facteur de puissance est également mesuré : cosϕ = 0,88. Calculer la tension fournie à la charge. Réaliser un bilan de puissance en ne détaillant pas les différentes pertes. IV.4 Alternateur triphasé Un alternateur triphasé débite un courant de 20 A avec une tension entre phases de 220 V et un facteur de puissance de 0,85. L inducteur, alimenté par une source de tension continue de 200 V, présente une résistance de 100 Ω. L alternateur reçoit une puissance mécanique de 7,6 kw. Calculer : la puissance utile fournie à la charge ; la puissance absorbée ; le rendement. 9/9