Conception des systèmes électriques 3 éme Licence : Electrotechnique Université Kasdi Merbah Ouargla Faculté des sciences appliquées Département de génie électrique Contenu de la matière : I- Transformateurs. II- Machines asynchrones. III- Machines synchrones. IV- Machines à courant continu V- Machines spéciales Cours dispensé par: Taibi Djamel Octobre 2019

I-Transformateur monophasé I.1 Définitions : Un transformateur (parfois abrégé en transfo) est une machine statique à induction électromagnétique destinée à transformer une tension alternative appelée tension primaire en une nouvelle tension alternative appelée tension secondaire de même fréquence mais d’amplitude généralement différente. Un transformateur est un quadripôle réversible permettant de transmettre des puissances active et réactive avec un très bon rendement.

I-2-1 Constitution Un transformateur monophasé comporte (fig. 1 et 2) un noyau en matériau ferromagnétique souvent obtenu par des tôles minces deux enroulements, généralement concentriques, comportant respectivement n 1 et n 2 spires. Si le noyau magnétique comporte 2 montants, on répartit pour moitié chacun des enroulements sur chaque montant (figure. 1). Si le noyau magnétique possède un montant central et deux montants latéraux, les bobinages sont placés sur le montant central (transformateur cuirassé) (figure. 2). Lorsqu'il s'agit de transformateurs de moyenne ou de forte puissance, l'ensemble décrit ci-dessus (noyau magnétique et bobinages) est généralement placé dans une cuve remplie d'huile pour en assurer un bon refroidissement. Figure 1 : Transformateur à deux montants Figure 2 : Transformateur cuirassé

I-2-2 Le circuit magnétique Le circuit magnétique d'un transformateur est soumis à un champ magnétique variable au cours du temps. Pour les transformateurs reliés au secteur de distribution, cette fréquence est de 50 ou 60 hertz. Le circuit magnétique est toujours feuilleté pour réduire les pertes par courants de Foucault, qui dépendent de l'amplitude du signal et de sa fréquence. Pour les transformateurs les plus courants, les tôles magnétique ont la forme de E et de I, permettant ainsi de placer le bobinage à l'intérieur des « fenêtres » du circuit magnétique ainsi constitué.circuit magnétiquehertzcourants de Foucault Toutes ces tôles en fer au silicium existent en épaisseur de 0,2 à 0,5 mm ; elles sont, soit non isolées (pour petite puissance), soit isolées par une très fine couche de vernis (figure 3). Figure 3: Schémas des tôles d'un transformateur monophasé.

I-3 Dimensionnement d’un Transformateur de commande et ses protections Quel transformateur pour quel circuit ? Chaque circuit a besoin d'une puissance de transformateur spécifique : c'est le dimensionnement. Mais, pour dimensionner un transformateur d'équipement il ne suffit pas d'additionner les puissances des circuits d'utilisation, il faut également tenir compte de la puissance instantanée admissible (puissance d'appel).

I-3-1 Critères de choix d’un transformateur - La tension primaire - La tension secondaire - La puissance apparente en VA

I-3-2 Comment calculer la puissance et le dimensionnement d'un transformateur ? Pour un équipement comportant des automatismes, la puissance d'un transformateur dépend : De la puissance maximale nécessaire à un instant donné (puissance d'appel) De la puissance permanente absorbée par le circuit De la chute de tension Du facteur de puissance

I-3-3 Déterminer la puissance d’appel Pappel = 0,8x(Somme Pm + Somme Pv + Pa) Pm : Puissance de maintien des contacteurs et relais Pv : Puissance des voyants Pa : Puissance d’appel du plus gros contacteurs Pour déterminer la puissance d'appel, nous tenons compte des hypothèses suivantes : Deux appels ne peuvent se produire en même temps Un facteur de puissance cos  de 0,5 à l'enclenchement 80 % des appareils au maximum sont alimentés en même temps De manière empirique et pour simplifier, cette puissance se calcule selon la formule suivante :

I.3-4 Déterminer la puissance d’appel Exemple: 10 contacteurs de 4kW, de puissance de maintien 8 VA 4 contacteurs de 18,5 kW, de puissance de maintien 20 VA 1 contacteurs de 45 kW, Pmaintien = 20 VA, Pappel = 250 VA cos phi =0,5 25 Relais de puissance de maintien 4 VA 45 Voyants de consommation unitaire 1 VA Somme Pm = 10*8 + 4*20 + 1* *4 = 280 VA Somme Pv = 45 * 1 = 45 VA Pa = 250 VA = 250 VA Pappel = 0,8 ( Somme Pm + Somme Pv + Pa ) = 460 VA à cos phi = 0,5

I-3-5 Dimensionnement d’un transformateur Transformateur de puissance 250 VA Pour les transformateurs de commande en particulier, il suffit, à partir de la puissance d'appel à cos  0,5, de lire le dimensionnement ci-dessous :

I-3-6 Choix du dispositif de Protection - Le transformateur doit être protégé contre les surcharges et les courts-circuits Protection de primaire - Dans l’exemple précédent si on met un disjoncteur de type C son calibre sera de: 6 A de référence

Protection de secondaire ( 24V) - Dans l’exemple précédent si on met un disjoncteur son calibre sera de: 10 A de référence 06394

I-4 Conception d’un transformateur monophasé Concevoir un transformateur monophasé pour une application spécifique peut être intéressant, mais pas possible sans calculer les différents paramètres de bobinage et de circuit magnétique. Les informations nécessaires à la conception d’un transformateur monophasé (cahier des charges) sont: 1- La puissance apparente de transformateur (P) en VA : Pour calculer la puissance de transformateur qu’il vous faut, la méthode la plus simple consiste à additionner la puissance indiquée sur tous les récepteurs, 2- La tension primaire V1 (tension de réseau d’alimentation) 3- La tension secondaire V2, de préférence ajouter 5 % à la tension secondaire pour compenser la chute de tension dans le fonctionnement en charge 4- la fréquence de réseau en Hz

I-4-1- Calculs du circuit magnétique d’un transformateur monophasé Dans un transformateur, le rôle du circuit magnétique est de canaliser le flux magnétique Ф et de présenter le minimum de pertes par hystérésis et par courant de Foucault. Le choix d'un matériau magnétique à faibles pertes pour le noyau, ainsi que l'utilisation d'un circuit magnétique feuilleté, améliorent le rendement. Ce circuit peut avoir différentes formes : soit à 2 colonnes, soit de forme cuirassé, c'est-à-dire que les enroulements sont placés sur une colonne centrale Le plus important dans les transformateurs monophasés est de reconnaître le "design" des tôles, car il y a de nombreuses solutions existantes avec des tôles en un ou plusieurs éléments à assembler. Les formes en "E" et "I" sont recommandé puisque les autres formes posent des problèmes pour introduire le bobinage

Seule la partie centrale de circuit, autour de laquelle sont bobinées le primaire et les secondaires, doit être prise en compte pour le calcul de la section du circuit magnétique. S: La section de circuit magnétique en (cm^2) d: La largeur de montant (colonne centrale) en (cm) L: la longueur de circuit magnétique en (cm) a: L’épaisseur de circuit magnétique en (cm)

1- Calcul de la section (S): La section S (en cm²) du noyau central du circuit magnétique peut être estimée en fonction de la puissance apparente P (en VA) à l'aide de la formule suivante : Le coefficient k dépend de la qualité des tôles : -tôles des meilleurs qualités, prendre k = 6 -tôles des bons qualités, prendre k = 8 -tôles ordinaires, prendre k = 10 Pratiquement, la section de circuit magnétique est calculée avec k = 8 pour un transformateur de 1000 VA et k=10 pour les transfos de puissance supérieur à 1000 VA. 2- Calcul de largeur de colonne centrale (d): pour un transformateur d’une forme carrée de circuit magnétique la largeur est calculée par la formule suivante : 3- Calcul de la longueur de circuit magnétique (L): La longueur de circuit magnétique (en cm) égale trois fois la largeur de colonne centrale dans les tôles de type E et I

4- Calcul de l’épaisseur de circuit magnétique (a): Il faut ajouter 20 % dans l’épaisseur de circuit magnétique pour compenser l’épaisseur de l’isolant entre les tôles, dans ce cas l’épaisseur de circuit magnétique est calculé par la formule suivante : L’épaisseur de circuit magnétique avec compensation de 20 % est : a avec compensation de 20% = a x Nombre des tôles de circuit magnétique : Généralement l’épaisseur d’une seule tôle est 0.5 mm ou 0,3 mm

6- Nombre de spires par volt (TPV) Le nombre est calculé par la formule : Pour un petit nouveau transformateur à 50 Hz, on peut calculer le nombre de spires par volt à l'aide de la formule pratique suivante : Nombre de spires primaire N1= TPV * V1 Nombre de spires secondaire N2= TPV * V2 Nombre de spires de compensation Nc=N2*(5 à 7) /100 Nombre de spires totale de secondaire = N2+Nc

7- Calcul de section et diamètre de fil de bobinage primaire: Il est important de calculer correctement la section de fil de bobinage utilisé. En effet un fil trop faible va entraîner un échauffement du à la résistance du fil (ce qui peut créer un incendie) et une perte de tension, une section trop importante peut entraîner un problème de poids et de coût. La section d’un conducteur est directement proportionnelle à l’intensité du courant en (A) et inversement proportionnelle à la densité du courant (en A/mm2) qui supportée par ce conducteur, donc: P1 : la puissance apparente de primaire en VA V1 : la tension primaire en V La section de fil primaire est : On peut accepter une densité du courant de 3 à 4 A/mm^2, pour les petits transformateurs Le diamètre de fil primaire est :

8- Calcul de section et diamètre de fil de bobinage secondaire: P2 : la puissance apparente de secondaire en VA V2 : la tension secondaire en V L’intensité du courant secondaire est calculée par : La section de fil secondaire est : Le diamètre de fil secondaire est :

9- Exemple d’application Calculer les informations nécessaire à la conception d’un transformateur monophasé de 1000 VA, avec une tension primaire 230 V et la tension secondaire 120 V, 50 Hz, La densité du courant dans le fil de bobinage ne dépasse pas 3 A/mm^2 et les tôles disponible de type EI de longueur 150 mm ou de 170 mm d’épaisseur 0,5 mm

I-5 Choix du matériau actif Les circuits magnétiques sont réalisés à partir de tôles empilées (transformateur de tension) ou roulées (transformateur de courant). Un revêtement isolant isole la surface des tôles, condition indispensable à la diminution des courants de Foucault. Les principaux critères de choix sont le prix, l’induction à saturation, la perméabilité relative et les pertes. La figure 1 permet de comparer les caractéristiques magnétiques champ d’excitation- champ d’induction des différentes tôles utilisées. I-5-1 Tôles ordinaires au silicium (Courbe I) Très utilisées en moyenne tension en raison de leur prix modéré, leurs performances sont modestes (induction à saturation proche de 1,6 T ; pertes massiques de 1,2 à 2,6 W/kg). Elles conviennent bien à la réalisation de transformateurs de tension, car l’influence du courant magnétisant sur l’erreur est minime. I-5-2 Tôles à grains orientés (courbes II et III) Elles sont constituées d’un alliage fer-silicium (3 % de silicium environ). Leur grande perméabilité relative (de à ), leurs faibles pertes massiques (1,6 W/ kg à 1,7 T) et leur induction à saturation élevée (1,8 T) en font le matériau privilégié des transformateurs de courant. Une autre version de ces tôles (tôles HiB ) permet une induction à saturation légèrement plus élevée et des pertes plus faibles (1 W/kg à 1,7 T), mais pour un prix supérieur.

I-5-3 Tôles fer-nickel (Mumétal ) (courbe IV) Ces tôles, constituées d’un alliage contenant de 70 à 80 % de nickel, permettent d’atteindre des perméabilités relatives très élevées (de à ) ; présentées généralement sous forme de rubans de faible épaisseur (0,05 à 0,1 mm), leur mise en œuvre est délicate (recuit au- delà de C°) et leur coût élevé. Le coude de saturation à basse induction de leur courbe de magnétisme est mis à profit pour réaliser des limiteurs de surtension ainsi que des transformateurs de courant de grande précision ; la saturation franche permet d’obtenir de bons facteurs de sécurité. Remarque: Pour des raisons de coût, la plupart des transformateurs sont réalisés avec des alliages FeSi avec environ 3 % de Si. Le Si sert à augmenter la résistivité de l'alliage par rapport au fer pur et donc à limiter les courants de Foucault par feuilletage. Le circuit magnétique est donc réalisé à partir de tôles isolées. La figure suivante illustre comment réaliser le feuilletage pour limiter la circulation des courants induits.

I-6 Détermination des pertes du transformateur monophasé 1- Bilan de puissance Le bilan de puissance d’un transformateur monophasé est le suivant : Pa = P1 Pj1Pfer Pj2 Pu= P2 La puissance absorbée par le primaire est P 1 = V 1 I 1 cos( 1 ) = P 2 + pertes La puissance utile est P 2 = V 2 I 2 cos( 2 ) = P 1 − pertes Les pertes par effet joule totales sont P j = P j1 + P j 2 =r 1 I 1 ^2+r 2 I 2 ^2 Les pertes fer sont :P fer = P 1v - r 1 I 1v ^2 Les pertes dans les transformateurs sont de deux types : Les pertes Joules et les pertes fer:

2- Rendement Les essais suivants permettent de mesurer le rendement du transformateur monophasé : En utilisant la méthode directe : En utilisant la méthode indirecte: Les pertes d'un transformateur sont situées : ► Dans le circuit magnétique : Les pertes fer (P fer ). ► Dans le cuivre utilisé pour réaliser les enroulements : Les pertes cuivre que l’on appelle aussi Pertes joules (P J ). Les pertes fer sont dues à des courants induits qui apparaissent sous l’action du flux magnétique variable. Ces courants de Foucault produisent des échauffements dans le circuit magnétique, donc une puissance perdue. Le feuilletage du circuit magnétique permet de limiter ces pertes. Les pertes par hystérésis participent elles aussi à l’échauffement du circuit magnétique, causés ici aussi par les courants de Foucault.

1- Essai à vide : Il permet de mesurer les pertes fer Les pertes fer sont localisées dans les tôles qui constituent le circuit magnétique. On les considèrera constantes car seules la variation de la tension primaire (V1) ou de la fréquence (f) peuvent agir sur la valeur des Pfer. P fer = P 1v - r 1 I 1v ^2

2- Essai en charge à I2 NOM : Il permet d’effectuer un mesurage direct du rendement :

3- Essai en court circuit à ICC = I2 NOM : Il permet d’effectuer un mesurage direct très précis des pertes joules dissipées dans les enroulements du transformateur. La tension U1CC qui génère le courant I2CC = I2NOM est repérée sur la plaque signalétique des transformateur de la façon suivante : « Tension de C.C » et a pour valeur : « 2,5% » Cela signifie que si l’on applique 2,5% de la tension nominale U1 au primaire de ce transformateur, il circulera le courant I2NOM dans l’enroulement secondaire que l’on aura préalablement court circuité.

Cette méthode est la plus utilisée car elle ne nécessite pas la mise en charge du transformateur et permet de mesurer les pertes joules totales sur des transformateurs de très forte puissance I.7 Caractéristiques techniques de quelques transformateurs monophasés

EXERCICE : On veut déterminer le rendement d'un transformateur monophasé par la méthode des pertes séparées (méthode indirecte). Pour cela, trois essais sont réalisés. Essai à vide : U1v = 220 V, U2v = 125 V, I1v = O,5 A, P1v = 75 W. Essai en court-circuit : U 1cc = 20 V, I2cc= 10 A, P1cc= 110 W. Essai avec une charge résistive pour un fonctionnement nominal :U1 = 220 V, U2 = 120 V, I2= 10 A. 1. Calculer le rapport de transformation du transformateur. 2. Quel est le facteur de puissance à vide ? 3. Déterminer : 3.1. les pertes dans le fer 3.2. les pertes par effet Joule pour le fonctionnement nominal. 4. Calculer le rendement du transformateur pour le fonctionnement nominal.

II- Moteur Asynchrone Les moteurs asynchrones triphasés représentent plus de 80 % du parc des moteurs électriques. Ils sont utilisés pour transformer l’énergie électrique en énergie mécanique grâce à des phénomènes électromagnétiques. C’est une machine robuste, économique à l’achat. De plus, la vitesse de rotation est presque constante sur une large plage de puissance. Il se caractérise par une absence de contacts glissants. - Il est donc simple à construire -C’est un moteur robuste par construction. Domaine d’utilisation : quelques Watt à plusieurs MW

II-1 Construction d’un moteur asynchrone triphasé Le moteur asynchrone triphasé à cage est composé de : Un stator : Il ne tourne pas et contient les bobinages triphasés Un rotor : partie tournante contenant des bobinages en court-circuit Un entrefer: Espace entre stator et rotor, de l’ordre de 0,4 mm pour des puissances < 10 kW

II-1 Construction d’un moteur asynchrone triphasé

1- Construction (Rotor)

2- Construction (Stator)

II-2 Principe de fonctionnement Le stator supporte trois enroulements, décalés de 120°, alimentés par une tension alternative triphasée. Ces trois bobines produisent un champ magnétique variable qui à la particularité de tourner autour de l’axe du stator suivant la fréquence de la tension d’alimentation, ce champ magnétique est appelé champ tournant Leur interaction entraîne la rotation du rotor à une fréquence légèrement inférieure à celle du champs tournant. Le champ tournant induit dans le métal du rotor un courant électrique de très forte intensité. Le courant électrique induit un champ magnétique opposé au champ tournant.

Le rotor tourne TOUJOURS moins vite que le champ tournant. De cette façon il est toujours balayé par le champ tournant et se transforme en une pièce magnétique. Ce qui donne le nom de moteur asynchrone Cette différence de vitesse s’appelle le glissement Équations Vitesse de synchronisme (le champ tournant) Glissement en % N, Ns = vitesse en tr.mn -1 P = Nombre de paire de pôles F = fréquence d’alimentation en Hz Le glissement est de l’ordre de 5%

Une paire de pôles2 paires de pôles4 paires de pôles Si la fréquence d’alimentation est de 50Hz Ns = 3000 tr.mn -1 Ns = 750 tr.mn -1 Ns = 1500 tr.mn -1 P = Nombre de paire de pôles

II-3 Plaque signalétique: Elle contient les informations sur le moteur Description des termes inscrits sur une plaque signalétique 1 – Marque du moteur : LEROY-SOMER 2 – TYPE LS80L2 LS = lettres de la série 80 = hauteur d’axe (standard 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 132, 160, 180, 200) L2 = type longueur tôle rotor (L1, L2, L3) 3 – = N° de série 4 – IP44 = Catégorie de protection 5 - KW 0,75 = Puissance du moteur en Kilowatt CV 1 = Puissance du moteur en chevaux 6 - cos 0,79 = cosinus phi 7 - rdt% 72 = rendement en pourcentage 8 - V 220 = voltage du moteur couplé en triangle 9 – A 3,45 = intensité en Ampère du moteur couplé en triangle 10 – V 380 = voltage du moteur couplé en étoile 11 – A 2 = intensité en Ampère du moteur couplé en étoile 12 – tr/mn 1410 = vitesse du moteur en tours par minute 13 – isolt clas E = classe d’isolement (A105°,E120°, B130°, F155°, H180°) 14 – Ambce °C 40 = Température ambiante admissible 15- Hz 50 = fréquence en Hertz d’utilisation du moteur 16 – Ph 3 = nombre de phase (1=monophasé, 2=biphasé, 3=triphasé) 17 – Service s1 = service de fonctionnement (S1=100%, S2=80%, S3=60%, S4=40%)

Indice de protection IP C'est un indice qui indique le degré de protection des enveloppes du matériel électrique. Il est définit par deux chiffres :

II-4 Plaques à bornes C’est sur la plaque à bornes située dans la boite à bornes, que sont raccordés les enroulements du moteur. C’est également sur cette plaque que vient de raccorder l’alimentation du moteur.

Il y a deux possibilités de couplage du moteur au réseau électrique triphasé. Le montage en étoile et le montage en triangle. Avec un branchement en étoile, la tension au bornes de chacune des bobines est d’environ 220V. Dans le montage en triangle, chacune des bobines est alimentée avec la tension nominale du réseau (380V). Le couplage est réalisé par une connexion, à l’aide de barrettes, sur la plaque à bornes. 1- Couplage étoile ou triangle

Branchement étoile ou triangle Il y a deux possibilités de branchement du moteur au réseau électrique triphasé. Le montage en étoile (D) et le montage en triangle (Y). Avec un branchement en étoile, la tension aux bornes de chacune des bobines est d'environ 230V. Dans le montage en triangle, chacune des bobines est alimentée avec la tension nominale du réseau (400V). On utilise le montage étoile si un moteur de 230V doit être relié sur un réseau 400V ou pour démarrer un moteur à puissance réduite dans le cas d'une charge avec une forte inertie mécanique.

400V Réseau Français 230V/400V Ce moteur doit être branché obligatoirement en étoile en France car la tension de bobine est de 230V

220V Réseau Anglais 110V/220V Ce moteur doit être branché en triangle en Angleterre car la tension bobine est de 220V S’il est branché en étoile il sera sous alimenté