Les machines electriques cours complet

Les machines électriques cours complet

LES MACHINES ELECTRIQUES

GENERALITES

2.1.  INTRODUCTION

2.1.1. Classifications des machines électriques

Le but essentiel des machines électriques est la transformation de l'énergie d'une forme dans une autre, l'une au moins de ces formes étant électrique, l'autre pouvant être électrique ou mécanique.

Les machines électriques font intervenir comme éléments fondamentaux :

-  les courants électriques ;

-  les champs magnétiques.

Le fonctionnement est donc basé sur les lois de l’électromagnétisme, qui ont été étudiées au cours d’électricité, et qui seront brièvement rappelées dans ce cours. Car c’est de l’interaction des courants électriques et des champs magnétiques que résulte leurfonctionnement.

On peut, a priori, classer les machines électriques en trois catégories principales :

1. Les machines génératrices qui transforment l’énergie mécanique en énergie électrique.

Leur fonctionnement est basé sur l’induction d’un courant électrique dans un circuit conducteur par déplacement relatif de celui-ci et d’un champ magnétique, à l’aide d’un engin d’entraînement mécanique.

Selon que le courant électrique induit est continu ou alternatif, la machine génératrice sera appelée dynamo ou alternateur.

Les Figures 2.1-1 et 2.1-2 schématisent le fonctionnement des machines génératrices.

On remarquera qu’en pratique, le déplacement relatif du circuit électrique et du champ magnétique est obtenu :

-   dans le cas de l’alternateur, par rotation du champ magnétique, le circuit étant fixe ;

-  et dans le cas de la dynamo, par rotation du circuit électrique dans un champ magnétique fixe.

2.  Les moteurs électriques

Leur fonctionnement est basé sur l’obtention d’un effort mécanique par action d’un champ magnétique sur un circuit électrique traversé par un courant fourni par une source extérieure, laquelle peut aussi produire éventuellement le champ magnétique.

Selon que le courant électrique fourni par la source extérieure est continu ou alternatif, la machine sera appelée moteur à courant continu ou moteur à courant alternatif(synchrone ou asynchrone).

Les Figures 2.1-3, 2.1-4 et 2.1.-5 schématisent le fonctionnement de ces moteurs électriques.

3.  Les machines transformatrices

La catégorie la plus importante est le transformateur qui modifie la grandeur des courants et tensions alternatifs.

Son fonctionnement est basé sur l’induction d’un courant électrique dans un circuit conducteur fixe sous l’action d’un champ magnétique variable dans le temps mais fixe dans l’espace.

Les autres machines transformatrices (changeurs de fréquence, commutatrices transformant lecourant alternatif en continu ou inversément) sont supplantées aujourd’hui par des systèmes statiques utilisant l’électronique depuissance.

2.1.2. Intérêt des moteurs électriques

Les moteurs électriques ont sur les moteurs thermiques (à essence, gasoil ou gaz) de nombreux avantages :

-   ils sont moins polluants et moins bruyants ;

-   ils démarrent seuls et facilement ;

-   ils ont souvent un fort couple moteur à faible vitesse et même à l’arrêt.

Cette dernière propriété est très importante. Parce que leur couple est faible à vitesse réduite et nul au démarrage (à vitesse nulle), les moteurs thermiques (à explosion ou diesels) nécessitent un embrayage et un dispositif mécanique à engrenages : la boîte de vitesses.

Le moteur tournant déjà, c’est en faisant patiner l’embrayage que l’on peut communiquer le mouvement à la charge : cela entraîne une dissipation d’énergie thermique par frottements. C’est aussi l’embrayage qui permet de découpler le moteur de la charge pour changer le rapport de la boîte de vitesses.

L’embrayage n’est pas un dispositif transposable dans le domaine des grandes puissances. C’est pour cela que sur les locomotives diesel-électriques, le moteur diesel n’entraîne pas la locomotive : il fait tourner un générateur qui alimente un moteur électrique et c’est ce dernier qui assure l’effort de traction.

Les qualités qui font la supériorité du moteur électrique sur le moteur thermique sont :

-   la facilité d’emploi dans le cas de démarrages fréquents ;

-   la régularité du couple utile ;

-  la possibilité d’inversion du sens de rotation sans intervention de dispositifs mécaniques annexes (comme les engrenages).

Ces qualités sont encore accentuées aujourd’hui, grâce à l’utilisation de l’électronique de puissance.

2.1.3. Le moteur asynchrone

Le moteur asynchrone est le moteur le plus utilisé dans l’industrie. Il est peu coûteux, on le fabrique en grande série. Il est robuste et son entretien est très limité. Il est sûr : son fonctionnement ne génère pas d’étincelles à la différence d’un moteur à courant continu. Ce type de moteur équipe la quasi totalité des machines-outils classiques, tours, fraiseuses, scies bobineuses, tapis roulants, pompes, compresseurs, perceuses,...).

Fonctionnant directement sur le secteur alternatif, sans transformation préalable de l’énergie électrique qui l’alimente, c’est le moteur industriel par excellence qui ne possède pas d’organe délicats comme le collecteur du moteur à courant continu. Les courants qui circulent dans le stator constituent l’unique source externe de champ magnétique : le rotor n’a pas à être relié à une source d’énergie électrique. Il existe bien des courants rotoriques qui participent, eux aussi, à la création du champ magnétique, mais ce sont des courantsinduits. C’est de là que vient le nom parfois donné au moteur asynchrone : “moteur d’induction”.

Lorsqu’on n’a pas d’exigence très marquée sur la constance de la vitesse d’un moteur, et lorsqu’il n’est pas nécessaire de faire varier celle-ci de manière continue, dans de larges proportions, c’est un moteur asynchrone que l’on utilise.

Sa vitesse varie un peu quand on le charge, on dit qu’il glisse, mais ce glissement, en général, ne dépasse pas quelques % de la vitesse à vide et il est négligeable le plus souvent.

Le démarrage des moteurs asynchrones ne pose pas de problème pour les unités de petite puissance : il est direct. Par contre, pour les moteurs de forte puissance, il faut démarrer sous tension réduite pour éviter un appel de courant trop élevé.

La gamme des puissances des moteurs asynchrones triphasés s’étend de 1 kW à une dizaine de MW. Au-dessous de 1 kW, et notamment pour les usages domestiques (compresseurs de réfrigérateurs, de congélateurs, moteurs de machines à laver, pompes de chauffage central,...), on utilise des moteurs asynchrones monophasés. Le rendement est plus faible que pour une machine triphasée de même puissance, mais cela est d’autant moins important que la puissance mise en jeu est faible.

2.1.4. Le moteur synchrone

Parce que leur fréquence de rotation ne dépend que du réseau qui les alimente, les moteurs synchrones ont des emplois spécifiques, par exemple là où une rotation uniforme est primordiale.

Utilisés directement sur le réseau public, les moteurs synchrones ne peuvent démarrer seuls : on doit d’abord les entraîner à leur vitesse de rotation nominale avant de les coupler au réseau : cela nécessite un moteur auxiliaire. Les moteurs synchrones sont donc d’un emploi malaisé.

La véritable renaissance du moteur synchrone est assez récente : elle est due à l’association de ce moteur avec les onduleurs à thyristors que l’électronique de puissance a permis de mettre au point. Elle concerne le domaine de puissance de l’ordre des MW (donc des moteurs de forte puissance).

Les onduleurs qui alimentent les moteurs synchrones fournissent à ces machines des courants triphasés de fréquence variable à partir d’une source de courant continu (elle même obtenue par redressement à partir du réseau). Mais, afin que le moteur synchrone ne risque pas de “décrocher”, la fréquence des courants créés par l’onduleur tient compte de la vitesse de rotation du moteur. On obtient ainsi les moteurs synchrones auto-pilotés qui équipent de nombreuses réalisations modernes (T.G.V. Atlantique, malaxeurs de l’industrie chimique). Ce type de moteur se développe à un rythme soutenu pour les grandes puissances, mais il faut remarquer que son utilisation mobilise une partie électronique au moins aussi importante que le moteur proprement dit.

2.1.5. Les moteurs à courant continu

L’emploi des moteurs à courant continu est sans équivalent dans le domaine des très faibles puissances (jouets, perceuses miniatures,...). Il est en particulier presque obligatoire dans les équipements des automobiles (essuie-glaces, ventilateurs, lève-vitres, démarreurs,...). Dans le domaine industriel, on trouve des moteurs à courant continu de puissance moyenne dans les applications à vitesse variable. En ce qui concerne les fortes puissances, les limitations technologiques liées à l’alimentation en puissance électrique du rotor font qu’ils sont maintenant supplantés par les moteurs synchrones auto-pilotés qui possèdent globalement les mêmes caractéristiques mécaniques.

La propriété essentielle des moteurs à courant continu est leur remarquable capacité de variation de vitesse. Celle-ci peut, en régime permanent, être réglée sans difficulté dans unrapport 1 à 1000. Cette gamme de variation est bien supérieure à celle que l’on peut obtenir avec les autres moteurs électriques, même associés à des dispositifs électroniques. Elle est sans commune mesure avec ce que peuvent assurer les moteurs thermiques.

La variation de vitesse des moteurs à courant continu s’effectue maintenant presqu’exclusivement grâce à la variation de la tension d’alimentation. Là encore, c’est l’intervention de l’électronique de puissance qui a permis de profiter pleinement des possibilités de ces moteurs. Les dispositifs, devenus usuels que sont, d’une part les redresseurs commandés à thyristors et d’autre part, les hacheurs, sont en mesure defournir ces tensions variables à partir, respectivement, du secteur alternatif ou d’une source de tension continue fixe. Mais les moteurs à courant continu sont coûteux. A puissance égale, le prix d’un moteur à courant continu est plus de deux fois celui d’un moteur asynchrone de même puissance.

Aussi, si l’on met à part les usages spécifiques (jouets, automobile...) Imposés par des considérations particulières (sécurité, autonomie, nature de l’alimentation disponible), ce n’est que lorsqu’on a un besoin impérieux de réaliser un entraînement à vitesse très largement variable qu’il faut utiliser un moteur à courant continu. Actuellement, même ce créneau est grignoté par les moteurs asynchrones qui, associés à des onduleurs autonomes permettent l’entraînement à vitesse variable à des coûts tout à fait compétitifs.

Le domaine d’utilisation privilégié des moteurs à courant continu est celui de la traction électrique (traction automobile, chariots élévateurs, traction ferroviaire). Ce sont alors des moteurs “série”.

On emploie aussi les moteurs à courant continu dans les asservissements de vitesse très performants. En effet, pour asservir à une grandeur de commande même constante la vitesse d’un moteur dont la charge varie, il faut pouvoir agir sur cette vitesse de manière à être capable de rattraper les écarts entre la grandeur de consigne et la vitesse effective. Ainsi, les platine de chaînes Hi-Fi sont équipées de moteurs à courant continu et non de moteurs asynchrones monophasés.

On trouve encore des moteurs à courant continu dans les fabriques de papier (où les différents moteurs agissant sur une même feuille de papier sont asservis les uns aux autres), dans les laminoirs (où les phases de ralentissement et d’inversion du sens de rotation sont extrêmement fréquents), dans beaucoup d’ascenseurs, de machines-outils et de servomécanismes de grandes performances.

2.1.6. Les autres types de machines électriques

A.. LES MOTEURS UNIVERSELS

Les moteurs universels sont les moteurs les plus utilisés dans la vie domestique. Ils équipent les moulins à café, les mélangeurs, mixeurs et robots ménagers, les foreuses, ponceuses et autres scies sauteuses des bricoleurs, les petits ventilateurs, les sèche-cheveux, aspirateurs...

Il s’agit de moteurs à collecteur, qui sont prévus pour fonctionner en courant alternatif monophasé (mais qui fonctionneraient mieux encore en courant continu : faites l’essai avec une foreuse en lui appliquant une tension continue d’une cinquantaine de volts). La vitesse de ces moteurs chute très vite lorsqu’un couple important leur est demandé comme nous le verrons.

On reconnait, au bruit, que l’on a affaire à un moteur universel à l’extrème variation de sa vitesse avec la charge.

L’usage des moteurs universels est limité aux puissances inférieures au kW. En effet, le fonctionnement du collecteur en courant sinusoïdal est encore plus délicat qu’en courant continu, et l’ensemble balais-collecteur constitue la partie fragile de ces machines.

B. LES MOTEURS PAS A PAS

Il faut signaler la montée extrêmement rapide, sur le marché industriel, de ce type de moteurs. Associés aux processeurs qui équipent les machines outils à commande numérique, à tous les dispositifs nécessitant un positionnement précis, ces moteurs, très simples par leur constitution, mais nécessairement associés, là encore, à des dispositifs électroniques de commande et d’alimentation, ont des puissances comprises entre quelques watts et quelques centaines de watts.

Ils offrent des caractéristiques qui simplifient considérablement la conception des équipements de position : ils permettent en effet, un blocage à l’arrêt en une position spécifiée, alors que les autres moteurs électriques doivent être bloqués, de l’extérieur, par un frein, dans la position qu’ils ont atteinte lorsqu’ils étaient alimentés. Cela est dû au fait que l’on peut les considérer comme composé d’un aimant (le rotor), venant se placer successivement devant les bobines qui sont alimentées à tour de rôle en courant continu. Il suffit de maintenir l’alimentation de la bobine en vis-à-vis du rotor arrêté, pour que celui-ci soit bloqué dans cette position.

On rencontre ces moteurs en horlogerie, dans les machines à découper, dans les ensembles qui leur associent processeurs de contrôle et de calcul d’une part, laser d’usinage d’autre part, dans les automates ...

La variation de vitesse de ces moteurs est obtenue par action sur le rythme de succession des bobines alimentées : c’est lorsqu’on les commande par microprocesseur, que ces moteurs atteignent leurs performances optimales (rapidité, précision).

2.1.7. Associations moteurs - électronique

Nous venons de voir que les moteurs d’utilisation récente (pas-à-pas pour les petites puissances, synchrones autopilotés pour les fortes puissances) sont nécessairement associés à des équipements électroniques.

Même les vieux moteurs à courant continu ont un fonctionnement rénové grâce aux alimentations à tension variable qui peuvent les complèter.

Pour les exigences classiques, le moteur asynchrone reste le moteur le plus utilisé. Pour profiter au maximum de ses qualités fondamentales de prix et de robustesse, on fait appel, même en ce qui le concerne, à l’électronique de puissance qui lui apporte ce qui lui manque lorsqu’il est utilisé seul sur un réseau triphasé : la variation de vitesse.

Ainsi, pour toutes les utilisations un peu fines, il faut concevoir les problèmes d’entraînement en termes d’ensembles “moteur + électronique associée”. Ce n’est que munis de leur mode d’alimentation standard (secteur triphasé pour un moteur synchrone ou asynchrone, tension continue fixe pour un moteur à courant continu), que les moteurs possèdent des caractéristiques bien distinctes. Dans les autres cas, les solutions apportées par la partie électronique de l’équipement modifient les performances connues et atténuent les différences : c’est alors le coût qui détermine le choix de l’ingénieur.

2.2.                      METHODES D’ETUDE DES MACHINES ELECTRIQUES

2.2.1. Généralités

Les considérations qui suivent vont être illustrées dans la suite du cours. Mais on peut déjà dire qu’il existe deux méthodes différentes pour aborder l'étude des machines électriques :

A) la méthode dite " des circuits " ou de Kirchhoff : ( 1^e méthode )

On écrit les équations des différents circuits électriques et l’équation de conservation de l’énergie (travail mécanique + apport d’énergie électrique = accroissement d’énergie potentielle), dont on déduit l’expression de la force en fonction des paramètres globaux du circuit. C’est une méthode systématique, semblable quelle que soit la machine étudiée, elle ne demande pas la connaissance approfondie du phénomène physique exploité. Le dispositif se présente comme une "boîte noire", un "paquet" d'équations différentielles. On peut aisément en faire un modèle mathématique, qu'il suffira d'insérer dans celui d'un ensemble. C'est particulièrement intéressant lorsque le moteur ( ou tout autre dispositif ) vient s'inscrire comme élément d'un ensemble, dans une chaîne de régulation. C'est donc l'optique del'automaticien. ( cfr. Théorie des systèmes )

B) la méthode dite " des champs " ou de Maxwell : ( 2^e méthode )

On part des phénomènes physiques (loi de Coulomb ou loi de Laplace), on calcule les grandeurs intervenant réellement dans le phénomène physique. C'est l'optique duconstructeur.

Choix de la méthode

D'après le critère de l'utilité pratique :

La Belgique n'ayant plus qu'une activité réduite en construction de grosses machines électriques, le point de vue de l'utilisateur intéresse un plus grand nombre de futurs ingénieurs que le point de vue du constructeur. On est donc tenté de choisir la méthode des circuits. Il ne faut cependant pas oublier que le nombre de constructeurs de petites machines ou de dispositifs électromécaniques particuliers ou simplement d'ingénieurs d'entretien, est beaucoup plus élevé. Il ne faut pas non plus oublier les possibilités offertes par les pays étrangers proches ou lointains.

D'après le critère de la formation :

La méthode des circuits permet grâce à quelques principes de base employés systématiquement, un développement logique de tous les problèmes, avec un minimum de mémorisation.

La préférence va donc à la méthode des circuits, mais il sera cependant parfois fait appel à la méthode des champs, ceci d'une part afin de permettre le dialogue avec les personnes formées à cette méthode, et d'autre part afin d'éviter le sentiment de frustration que pourrait ressentir l'étudiant qui apprend à prévoir sans comprendre le principe physique qu'il applique. Notons toutefois qu'Heaviside disait :

"Ce n'est pas parce que je ne comprends pas le mécanisme de la digestion que je doism'empêcher de bien dîner"...

2.2.2. Choix du phénomène physique exploité

On pourrait imaginer des moteurs capacitifs (Force donnée par la loi de Coulomb). Or la plupart (pour ne pas dire la totalité ) des moteurs électriques utilisés sont de type inductif (Force donnée par la loi de Laplace). Pourquoi?

L'énergie mécanique s'obtient au détriment de l'énergie potentielle électrique (cas capacitif) ou magnétique (cas inductif).

On remarque donc qu'une machine capacitive serait 10.000 fois plus volumineuse qu'une machine inductive développant la même puissance. C'est pourquoi presque toutes sont

inductives.¹

Table des matières :

LES MACHINES ELECTRIQUES GENERALITES . . .. .. .. . . . . . . . . . . . . 2.2

2.1. INTRODUCTION .. .. . . . . . . . . . 2.2

2.1.1. Classifications des machines électriques .. . . . . . 2.2

2.1.2. Intérêt des moteurs électriques .. . . . . . . . . . . . . 2.7

2.1.3. Le moteur asynchrone .. .. . . . 2.7

2.1.4. Le moteur synchrone .. .. . . . 2.8

2.1.5. Les moteurs à courant continu .. . . . . . . . . . . . . 2.8

2.1.6. Les autres types de machines électriques .. . . . . . 2.9

2.1.7. Associations moteurs - électronique .. . . . . . . . 2.10

2.2. METHODES D’ETUDE DES MACHINES ELECTRIQUES . . . . . . 2.12

2.2.1. Généralités .. .. . . . . . . . . . . 2.12

2.2.2. Choix du phénomène physique exploité .. . . . . . 2.13

2.3. RAPPEL DES LOIS DE L'ELECTROMAGNETISME . . . . . . . . . . 2.15

2.3.1. Loi de la force magnétomotrice (f.m.m.) .. . . . . 2.15

2.3.2. Loi de Maxwell .. .. . . . . . . . 2.15

2.3.3. Loi de Laplace .. .. . . . . . . . 2.18

2.3.4. Règles mnémotechniques des signes .. . . . . . . . 2.18

2.4. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT DES MACHINES ELECTRIQUES 2.21

2.4.1. Eléments constitutifs des machines électriques . . . . . . . . . . . . . . . 2.21

2.4.2. Machines hétéropolaires .. .. 2.22

2.5. COMPOSANTS DES MACHINES ELECTRIQUES . . . . . . . . . . . . 2.34

2.5.1. Circuit magnétique .. .. . . . . 2.34

2.5.2. Circuit électrique .. .. . . . . . 2.42

2.5.3. Isolation des machines .. .. . 2.48

2.5.4. Refroidissement .. .. . . . . . . 2.50

2.6. GRANDEURS CARACTERISTIQUES DES MACHINES ELECTRIQUES 2.52

2.6.1. Grandeurs nominales .. .. . . . 2.52

2.6.2. Rendements des machines .. . . . . . . . . . . . . . . . 2.52

2.6.3. Caractéristiques des machines tournantes .. . . . 2.56