INTRODUCTION AUX MACHINES ÉLECTRIQUES

Name: INTRODUCTION AUX MACHINES ÉLECTRIQUES
Uploaded: 2017-07-12T01:00:03+00:00
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Description: INTRODUCTION AUX MACHINES ÉLECTRIQUES

INTRODUCTION AUX MACHINES ÉLECTRIQUES
Chapitre INTRODUCTION AUX MACHINES ÉLECTRIQUES 2 Prof. Mourad ZEGRARI : ENSAM Casablanca A. BOULAL – Mohamed Elhaissouf: CPGE settat Electrotechnique Industrielle

Plan Classification des machines électriques.
Principe de la conversion électromécanique. Caractéristiques des machines électriques. Entraînements électromécaniques. Production du champ tournant dans les machines électriques. © AUTOMATION INDUSTIELLE Electrotechnique Industrielle

Plan Classification des machines Conversion électromécanique
B Conversion électromécanique Caractéristiques des machines électriques C D Entraînements électromécaniques E Champ tournant dans les machines électriques © AUTOMATION INDUSTIELLE Electrotechnique Industrielle

Conversion Électriques
Conversion de l’Énergie Électrique Conversion Electronique Inductances Condensateurs Conversion Statique Conversion Electromagnétique Relais Transformateurs Conversion Électriques Rotatifs Moteurs Linéaires Conversion Dynamique Générateurs Transducteurs © AUTOMATION INDUSTIELLE

Intérêt des machines électriques
Rendement élevé. Absence de pollution. Souplesse et rapidité de réglage. Réversibilité de fonctionnement. Couple et puissance massique élevés. Maintenance réduite. © AUTOMATION INDUSTIELLE

Classification des machines électriques
Machines Synchrones Aimants permanents Électro-aimants Machines à courant alternatif Rotor bobiné Machines Asynchrones Rotor à cage Machines Électriques Rotor massif Machines à aimants Séparée Machines à courant continu Parallèle Machines à excitation Série Machines spéciales Composée © AUTOMATION INDUSTIELLE

Classification des machines électriques
Machines à courant alternatif (ca) Machines Synchrones : utilisées comme alternateurs (production de l'énergie électrique) ou comme compensateurs de l'énergie réactive. Machines Asynchrones : de construction simple, ces moteurs sont les plus utilisés en industrie, mais leur réglage est complexe. Machines à courant continu (cc) Elles offrent des performances remarquables avec des réglages simples et efficaces. Cependant, leur coût élevé et leur maintenance difficile limitent leur champ d'application. Machines spéciales Ces machines, de construction spéciale, sont essentiellement utilisées en robotique et dans les procédés d'automatisation et de régulation. © AUTOMATION INDUSTIELLE

Domaines d’application
Fonctions Domaines d’Application Production de l'énergie électrique Génératrices synchrones (jusqu'à 2000 MW) Compensateurs synchrones (300 MW) Traction électrique Transport ferroviaire (locomotive 4 MW) Transport maritime (30 MW) Transport sur roues (engins de travaux) Entraînements industriels Métallurgie (laminoirs) Industrie textile, chimique, papeterie Cimenteries (broyeurs) Pompes, compresseurs, ventilateurs Machines outils Mécatronique Système de positionnement, robotique Périphériques des ordinateurs Horloges, photocopieurs, fax Aéronautique, Automobile Instrumentation Transducteurs, tachymètres Micro-actionneurs intégrés Relais, électro-aimants © AUTOMATION INDUSTIELLE

Conversion électromécanique
Ce sont des convertisseurs électromécaniques qui transforment l’énergie électrique en énergie mécanique et réciproquement. Conversion Electrique  Mécanique : Fonctionnement Moteur. Exploitation de la force électrodynamique (Loi de Laplace). Conversion Mécanique  Electrique : Fonctionnement Génératrice. Exploitation de la force électromotrice induite (Loi de Faraday). Moteur Energie Electrique Machine Electrique Energie Mécanique Génératrice © AUTOMATION INDUSTIELLE

Conversion électromécanique
Toute conversion électromécanique nécessite les éléments suivants : Une induction magnétique, créée par l’enroulement de l’inducteur. Un courant circulant dans les enroulements de l’induit : siège des forces électromotrices induites. Il existe deux façons de créer une force électromotrice induite : Inducteur fixe (induction constante) : les conducteurs de l’enroulement induit sont mobiles, cas des machines cc. Inducteur mobile (induction variable) : les conducteurs de l’enroulement induit sont fixes, cas des machines synchrones. © AUTOMATION INDUSTIELLE

Constitution de base La construction se réalise sur deux armatures cylindriques et coaxiales, contenant des enroulements inducteur et induit : L’armature mobile est appelée rotor : elle transmet ou reçoit une puissance mécanique en présence d’un champ d’induction tournant. L’armature fixe est appelée stator : elle assure la fermeture des lignes d’induction canalisées par l’armature d’induit. Entrefer Stator Rotor Arbre © AUTOMATION INDUSTIELLE

Caractéristique de coût
À puissance égale, on peut effecteur un classement par ordre de coût décroissant : Machine CC : complexité de fabrication à cause du collecteur. Machine Synchrone : système d’excitation au rotor. Machine Asynchrone : le rotor à cage simple à réaliser. Ce classement s'explique par la technique de fabrication qui détermine le coût de la production. Comme le couple est proportionnel au volume, une machine de puissance donnée est d'autant plus petite et moins coûteuse que sa vitesse de rotation est élevée. © AUTOMATION INDUSTIELLE

Caractéristique de sortie
Elle représente les grandeurs de sortie qu’on désire exploiter. Cette représentation tient compte du mode de fonctionnement de la machine: Mode Génératrice : On considère principalement les paramètres électriques : Tension de sortie : V(V). Courant de sortie : I(A). Puissance électrique : P (W). Mode Moteur : On considère principalement les paramètres mécaniques : Vitesse de rotation :  (rad/s). Couple moteur : Tm (N.m) Puissance mécanique : P (W). © AUTOMATION INDUSTIELLE

Caractéristique couple-vitesse
Elle représente la variation du couple mécanique moteur en fonction de la vitesse angulaire de rotation. Puissance constante Le couple moteur est inversement proportionnel à la vitesse de rotation Couple constant La puissance est proportionnelle à la vitesse de rotation. Tm , P Tm , P Tm P P Tm   © AUTOMATION INDUSTIELLE

Réversibilité Les machines électriques sont réversibles : elles peuvent passer continûment du fonctionnement en moteur au fonctionnement en génératrice. Vitesse F F Q2 Génératrice Q1 moteur 1 1 Couple F F Le fonctionnement en moteur est obtenu si le produit (T.) est positif. Q3 moteur Q4 Génratrice 2 2 Couple (T) Vitesse () Sens de rotation Fonctionnement Produit T. Quadrant Moteur 1 (horaire) oui oui oui 1 Génératrice oui 2 Moteur oui 3 2 (anti-horaire) Génératrice oui 4 © AUTOMATION INDUSTIELLE

Types d’entraînements
Génératrice électrique entraînée par un moteur d’entraînement Charge électrique Génératrice Électrique Moteur d'entraînement Transfert de l'Énergie Charge mécanique entraînée par un moteur électrique Alimentation électrique Moteur Électrique Charge mécanique entraînée Transfert de l'Énergie © AUTOMATION INDUSTIELLE

Charge mécanique entraînée
Équation fondamentale de l’entraînement Le moteur exerce un couple moteur Tm sur l’arbre. La charge exerce sur le même arbre un couple résistant Tr. L’entraînement suit la relation fondamentale : Vitesse de Rotation  Couple Moteur Tm Moteur d'entraînement Charge mécanique entraînée Couple Résistant Tr © AUTOMATION INDUSTIELLE

Moteurs d’entraînement
Caractéristiques couple-vitesse des différents moteurs électriques : Tm Tm Tmax Tmax Tmn Tmd Tmn n n   (a) : Moteur Synchrone. (b) : Moteur Asynchrone. Tm Tm Tmax Tmax Tmn Tmn n n   (c) : Moteur CC Excitation indépendante. (d) : Moteur CC Excitation série. © AUTOMATION INDUSTIELLE

Charges entraînées En général, l’expression du couple résistant est : Tr = K.n Tr Tr   (a) : Type frottement visqueux. (b) : Type frottement sec. Tr Tr   (c) : Type "couple constant". (d) : Type "puissance constante" © AUTOMATION INDUSTIELLE

(b) : Équilibre instable.
Stabilité d’un entraînement Un entraînement est en état d'équilibre stable si toute variation de la vitesse , autour du point d'équilibre, fait apparaître un couple permettant de ramener l'entraînement au point d'équilibre initial. Tm  éq Tr A (a) : Équilibre stable. éq+ A' B (b) : Équilibre instable. B' A" B" © AUTOMATION INDUSTIELLE

Coefficient de stabilité
Le coefficient de stabilité du point d’équilibre d'un entraînement est défini par la relation suivante : Si ks > 0 : le point d'équilibre est stable. Si ks < 0 : le point d'équilibre est instable. Si ks = 0 : le point d'équilibre est astable. © AUTOMATION INDUSTIELLE

Champ tournant bipolaire
La direction du champ d’induction B tourne avec une vitesse  : On produit un champ tournant bipolaire (une paire de pôles). M N n0 nr θ0 θ Bm  S  © AUTOMATION INDUSTIELLE

Champ tournant multipolaire
Champ à "p" paires de pôles  "p" champs tournants décalés de (2/p) La pulsation  est telle que :  = p  (p : nombre de paires de pôles) p = 1 p = 2 p = 3 M N n0 nr θ0 θ Bm  S  B1 B2 N1 N2 S2 S1  B1 B2 N2 N3 N1 S3  B3 S1 S2 © AUTOMATION INDUSTIELLE

S2 N1 N2 S1 Champ créé par un bobinage monophasé B • Deux pôles NORD
La représentation du champ magnétique fait apparaître : • Deux pôles NORD • Deux pôles SUD N2 S1 La machine à deux paires de pôles est dite tétrapolaire. © AUTOMATION INDUSTIELLE

À un instant t fixé (temps arrêté)
Champ créé dans l’entrefer B À un instant t fixé (temps arrêté) Effectuons un déplacement le long de l’entrefer : © AUTOMATION INDUSTIELLE

Champ créé dans l’entrefer
B Effectuons un déplacement le long de l’entrefer : © AUTOMATION INDUSTIELLE

Variation sinusoïdale de B avec la position .
Champ créé dans l’entrefer B Effectuons un déplacement le long de l’entrefer : Variation sinusoïdale de B avec la position . © AUTOMATION INDUSTIELLE

S N Vitesse du champ tournant p = 2
Pendant une période T, le champ a tourné d’ ½ tour. La durée d’un tour entier est égale à 2T. © AUTOMATION INDUSTIELLE

S N Vitesse du champ tournant p = 2
La vitesse de rotation ns du champ tournant est : Vitesse du champ tournant en (tr/s) Fréquence des courants au stator (Hz) © AUTOMATION INDUSTIELLE

S N Vitesse du champ tournant p quelconque
La vitesse de rotation ns du champ tournant est : Vitesse du champ tournant en (tr/s) Fréquence des courants au stator (Hz) © AUTOMATION INDUSTIELLE

Caractéristiques d’un champ tournant
Un champ tournant est caractérisé par : Le nombre de paires de pôles : p L’induction magnétique maximale : Bm La vitesse de rotation angulaire :  La pulsation de ses courant induits :  = p  © AUTOMATION INDUSTIELLE

Production du champ tournant
La production du champs tournant peut être réalisée par : Des aimants permanents ou des électroaimants, constitués par des enroulements parcourus par un courant continu, et entraînés en mouvement. Un bobinage polyphasé alimenté par un système de courants alternatifs polyphasé. Le couple électromagnétique qui s'exerce entre le stator et le rotor est dû à l'interaction des deux champs. © AUTOMATION INDUSTIELLE

Electroaimant à pôles saillants Electroaimant à pôles lisses
Procédé dynamique On fait entraîner en rotation un aimant ou un électroaimant. L’énergie fournie au système est mécanique. Inducteurs à électro-aimant :     Aimant permanent Aimant en fer à cheval Electroaimant à pôles saillants Electroaimant à pôles lisses S N Inducteur à pôles saillants S2 N1 S1 N2 Inducteur à pôles lisses © AUTOMATION INDUSTIELLE

Procédé statique Ce procédé emploi des bobines fixes réparties d’une façon régulière dans l’espace et alimentés par un système polyphasé. L'énergie fournie au système est électrique. Système de courants : ia A M (a) θ (c) (b) ib B ic C © AUTOMATION INDUSTIELLE

Théorème de Ferraris En un point M, décalé de  par rapport à l’enroulement (a), ces courants triphasés créent les champs suivants: Le champs résultant est tel que : On crée donc un champs d'amplitude constante et qui tourne à une vitesse angulaire . © AUTOMATION INDUSTIELLE

Champ tournant multipolaire
Pour créer une armature triphasée à (2p) pôles : Chaque phase comporte (p) groupes de bobines. L’ouverture angulaire des bobines est (/p). Les bobines des phases deviennent décalées de (2/3p). Le champs résultant devient : © AUTOMATION INDUSTIELLE

Vitesse de synchronisme
La machine synchrone est caractérisée par sa vitesse constante : s = 2 ns : Vitesse de rotation synchrone (rad/s) s = 2 fs : Pulsation des courants induits (rad/s) p : Nombre de paires de pôles. La vitesse du rotor est souvent indiquée en tr/mn : : Vitesse de synchronisme. © AUTOMATION INDUSTIELLE

Aspects du champ tournant
On produit un champ tournant à la vitesse s : L’aiguille aimantée tourne à la même vitesse :  = s Le mouvements est Synchrone. Le disque métallique tourne à une vitesse inférieure :  < s Le mouvement est dit Asynchrone. On définit le glissement : s  Aiguille aimantée Disque métallique © AUTOMATION INDUSTIELLE

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