NOTIONS SUR LES MACHINES ELECTRIQUES

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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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