NOTIONS SUR
LES MACHINES ELECTRIQUES
Page en construction
Il est intéressant d'avoir quelques notions
sur la production de l'électricité par des machines tournantes
Cette production est possible grâce au phénomène de l'induction :
Un aimant que l'on déplace tout près d'une bobine inerte engendre dans cette
dernière une tension qui est liée au mouvement.
La dynamo de bicyclette
Cette petite machine facile à examiner (démonter une vielle dynamo) est en
fait un petit alternateur
L'alternateur est beaucoup plus simple que la dynamo
Surtout quand les pôles sont des aimants permanents car dans ce cas il n'y a aucun contact glissant.
Cette petite machine tout comme une grosse possède un stator et un rotor
Le stator a 2 pôles , 2 bobines fixes, le rotor a aussi 2
pôles constitués par un aimant permanent qui présente aux bobines du stator ,
tantôt son pole Nord , tantôt son pole Sud.
C'est le changement de polarité qui induit dans les bobines une tension
appelée force électro motrice
Cette dernière est d'autant plus élevée que la vitesses est plus
grande.
La tension - alternative - a aussi une fréquence qui croit avec la vitesse.
Ainsi notre "dynamo" avec ses 2 pôles généralement , produit une
tension à 50 Hertz si elle tourne à 3000 T/min
Stator et rotor
Dans les gros alternateurs la disposition utilisée est identique à celle
décrite ci dessus.
Elle permet d'éviter les contacts glissants quand les pôles sont constitués
par des aimants
Les progrès énormes faits ces dernières années en matière d'aimants a
permis d'augmenter la puissance des alternateurs ainsi équipés
Cependant à partir d'une certaine puissance, de 1 ou 2 KVA , les aimants deviennent
insuffisants et de plus ne permettent aucun réglage de la tension.
On utilise alors des électro aimants : des enroulements sont bobinés autour
des pôles en fer doux et ces enroulements sont parcourus pas un courant continu
, appelé courant d'excitation et dont le réglage permet de faire varier la
tension.
Le dessin ci contre , emprunté à la documentation QUID , montre de façon
assez théorique la disposition des bobinages pour un alternateur monophasé possédant
8 pôles .
Chaque bobine "voit" passer alternativement un pole N et un pôle S .
Une tension continue est nécessaire pour le courant d'excitation qui parcourt
les bobines du rotor à partir de bagues (contacts glissants)
Cette tension était généralement fournie par une dynamo excitatrice montée
en bout d'arbre.
Aujourd'hui on cherche à éviter cette solution : emploi de courant redressé
fourni par la machine elle même , réalisant une auto excitation.
De plus , les alternateurs sont souvent polyphasés , le plus souvent
triphasés.
Dans la figure de droite, il y aurait 3 fois plus de bobines , chaque bobine
étant remplacée par 3 bobines décalées angulairement d'une valeur
convenable .
(Dans notre figure cet angle serait de 7.5° , d'ou 48 encoches (2 encoches par
pôle et par phase et le dessin du stator serait sérieusement remanié )
Cette disposition polyphasée permet un meilleur équilibrage magnétique de la
machine.
Dans ce cas , au lieu des 2 fils de sortie P1 P2 nous aurons 6 sorties qui
peuvent être connectées en étoile ou en triangle
Avec ce dessin à 8 pôles , il faut que la machine tourne à 750 T/min
pour produire une tension à 50 Hz
Si on augmente trop le courant d'excitation, la tension ne croit
plus et le circuit magnétique s'échauffe , mais la machine est moins
sensible aux variions de la tension alternative quand on la charge.
Certains constructeurs sont partisans de la formule du fer saturé , qui peut
éviter l'emploi de régulateurs.
Le fer du stator
Les bobines du stator sont donc en fait montées sur un circuit magnétique
circulaire en tôle de qualité magnétique, , sinon
le flux magnétique dans les bobines serait insuffisant.
Ce circuit est soumis à des inversions continuelles du sens du flux
Ceci n'est pas gratuit : il y a de ce fait des pertes dans le fer , qui sont
principalement des pertes par courants de Foucault
Le fer chauffe ; aussi le divise -t'on - en tôles minces isolées mais les
pertes ne sont jamais nulles
Toute machine tournante a des pertes fer
Inducteur et Induit
Nous avons là une autre dénomination qui ne change rien : L'inducteur , ce
sont les pôles aimantés ,l'induit , c'est le bobinage qui reçoit la tension
induite
Nous avons vu que l'un ou l'autre sont respectivement fixe et tournant ,
selon le type de machine
La dynamo
Au siècle dernier on cherchait à fabriquer du courant continu avec la force
motrice , car on voulait remplacer les piles .
Aussi le courant alternatif fut il longtemps délaissé et
ses propriétés étaient ignorées; il est vrai qu'elles sont bien plus
complexes
La première machine (dynamo) fur finalement inventée (1968) par le menuisier
2énobe GRAMME (Belgique)
Dans cette machine il y a inversion su stator et du rotor par rapport à la
description ci dessus
L'anneau tourne entre 2 aimants , mais le bobinage sur l'anneau est divisé en sections dont les
extrémités sont reliées à un collecteur.
Cette disposition va permettre de recevoir sur les balais
une tension constante ou presque ; si le flux dans l'anneau est alternatif , les
courants qui y circulent le sont aussi mais la sortie est en courant continu.
Telle est la merveilleuse machine , vite perfectionnée , vite copiée par
SIEMENS , et d'autres , qui va permettre l'électrification dès la fin du
19ème siècle .
La machine a courant continu a des pertes fer ;
cette machine est en fait un alternateur déguisé .
Aussi le fer de l'induit - partie tournante _ ne peut être massif
Le premier anneau Gramme était en fil de fer enroulé .
Par la suite le bobinage fut amélioré et on en vint à l'induit en tambour
toujours largement utilisé dans de nombreuses machines
Cet induit est fait d'un empilage de tôles dans le sens perpendiculaire à
l'axe de rotation
La machine à courant continu peut marcher un moteur : solution idéale si on a
besoin d'une vitesse variable
c'est pourquoi ces moteurs sont encore largement utilisés
ALTERNATEURS ET SYNCHRONISME
Nous avons vu que la fréquence d'un courant alternatif dépend de la vitesse de
l'alternateur et de son nombre de pôles
La formule est F =p * N / 60
p : nombre de paires de pôles
N vitesse en T/min
F : fréquence en Hz
La machine la plus rapide (p=1) tournera en Europe à 3000 T/min pour du courant
à 50 Hz
Aux USA , elle tournera à 3600 T/min pour du courant à 60 Hz
Dans un grand réseau (EDF et au delà des frontières ) , tous les alternateurs
fonctionnent en parallèle et ceci quelque soit leur nombre propre de pôles
, avec un synchronisme rigoureux.
MACHINES ASYNCHRONES
Si on dispose comme partie tournante un induit assez quelconque mis en court
circuit et que le stator soit celui d'un alternateur mais recevant de la
puissance du réseau au lieu d'en fournir , le rotor se met à tourner à une
vitesse un peu inférieure à la vitesse synchrone
Cette vitesse ne diminue qu'un peu si on applique un couple
résistant
Nous sommes en présence d'un moteur asynchrone
Le fonctionnement théorique développé est complexe , si l'utilisation
est simple
Ce sont des machines remarquables - mais à vitesse non
réglable sauf construction compliquée - très largement utilisées , et dont
la source d'alimentation optimale est le triphasé .
Il existe cependant des machines monophasées qui sont en fait diphasées, l'une
des phases étant alimentée via un condensateur et l'autre en direct.
De nombreux petits moteurs "grand public" sont réalisés sur ce
principe mais il y a d'autres systèmes
LE FAMEUX COS PHI
Les machines asynchrones consomment plus d'ampères qu'il serait nécessaire en
courant continu , ce n'est pas une question de rendement mais une question de
"mauvaise" utilisation du courant.
Cetet propriété est l'apanage des courants alternatifs
En termes techniques on dit que ces machines (et bien d'autres d'ailleurs)
consomment de l'énergie réactive (Pr) en plus de l'énergie active
(Pa) qui est la seule vraie en terme d'énergie
La relation est tangente (PHI) = Pr / Pa
Si PHI a une valeur de 30 ° , la tangente vaut 0.6 et le cos(PHI) vaut 0.86
C'est l'ordre de grandeur des valeurs rencontrées sur les réseaux et même nos
installations domestiques
Il n'y a que les résistances qui ne consomment pas d'énergie réactive (Lampes
à incandescence , radiateurs , plaques de cuisine classique , .... )
Tous les redresseurs internes de notre environnement multimédia , tous nos
chargeurs , nos petits moteurs consomment de l'énergie réactive
Les condensateurs branchés sur un réseau produisent
au contraire de l'énergie réactive
GENERATRICES ASYNCHRONES
Si j'ai développé , bien insuffisamment , les notions ci dessus c'est pour
parler de ces machines qui équipent de nombreuses chutes ou le courant est
vendu au producteur (EDF en France)
En effet si on oblige un moteur asynchrone , au moyen d'un autre moteur à
courant continu par exemple , machine dont la vitesses est facilement réglable
, à tourner au delà du synchronisme , la machine va
Produire de l'énergie active
Consommer de l'énergie réactive
On peut comprendre immédiatement que cette génératrice sera la solution
idéale : le réseau assure la stabilité de la vitesse du groupe , ce qui
est d'une importance primordiale
Cette vitesse nommée hyper synchrone ,est légèrement supérieure à la
vitesse synchrone
La consommation d'énergie réactive peut être compensée par l'adjonction
d'une batterie de condensateurs , qui d'ailleurs sera généralement imposée
par le maître du réseau.
Des protections sérieuses seront prises contre le phénomène d'auto_excitation
en cas de séparation accidentelle de la génératrice du réseau .
Bien entendu , les vitesses de la machine hydraulique et celle de la
génératrice seront adaptées .
Généralement comme j'ai déjà dit , on essaie de tourner le plus vite
possible(intérêt des grands Ns )
L'accouplement direct est un cas de figure rare pour les petites chutes , il
conduirait souvent à des génératrices à grand nombre de pôles donc d'un
prix considérable. Il faut pouvoir utiliser en génératrices les moteurs
asynchrones de catalogue.
Compléments divers en électrotechnique
Télécharger le logiciel RLC1999.exe
étude de la décharge d'un condensateur
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