Introduction
Les machines électriques tournantes assurent la conversion électromécanique : conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique et inversement. Dans le premier cas, les machines sont appelées moteurs (électrique ==> mécanique) alors que dans le second cas, elles sont appelées générateurs (mécanique ==> électrique). Il existe une large gamme de machines électriques (de part leur construction et leur alimentation), nous pouvons citer :
En courant continu :
- Les machines à courant continu : moteur et génératrice (dynamo).
En courant alternatif :
- Les machines synchrones : moteur synchrone et générateur (alternateur).
- Les machines asynchrones : moteur asynchrone et génératrice asynchrone.
1. Notion du champ tournant
On appelle champ tournant, la portion de l'espace où existe un champ magnétique de valeur constante, dont la direction tourne avec une vitesse angulaire constante.
Il existe deux procédés fondamentaux pour produire un champ tournant :
- Procédé mécanique : qui consiste à faire tourner un aimant en fer à cheval, soit à la main, soit à l'aide d'un moteur auxiliaire.
- Procédé électrique : qui utilise trois bobines décalées de 120° dans l'espace, bobines qui sont alimentées par des courants triphasés (courants décalés de 120° dans le temps).
Les machines tournantes sont constituées d'un stator (partie fixe) et d'un rotor (partie mobile) séparés par un entrefer. Cet entrefer est donc limité par deux surfaces cylindriques coaxiales. Si un flux de champ magnétique circule dans cet entrefer entre rotor et stator, le théorème d'Ampère et la loi du flux maximal impliquent que les lignes de champ de ce flux seront radiales.
On dira que l'entrefer est le siège d'un champ magnétique glissant ou tournant.
2. Principe de fonctionnement d'une machine électrique à courant continu
Une machine électrique peut fonctionner en générateur ou en moteur. Un générateur électrique est un dispositif qui permet de produire une énergie électrique à partir d'une autre forme d'énergie (par exemple : énergie mécanique). Alors qu'un moteur électrique est un dispositif qui permet de fournir une énergie mécanique à partir d'une énergie électrique.
Son principe de fonctionnement dépend du type de la machine étudiée. Pour cela nous nous intéressons, en premier temps, à la machine à courant continu fonctionnant soit en génératrice à courant continu (appelée aussi : dynamo) ou en moteur à courant continu.
Une machine à courant continu est composée de deux bobinages :
2.1 Bobinage Inducteur
Le bobinage Inducteur est alimenté en courant continu permettant ainsi la création du flux dans la machine. Ce bobinage peut laisser place à un aimant permanent lequel va assurer la création du flux inducteur. Ce flux est le résultat de courant appelé courant inducteur traversant ce bobinage.
2.2 Bobinage Induit
Le bobinage Induit permet la circulation d'un courant continu fixe et perpendiculaire au flux d'induction. Ce courant traverse le bobinage Induit grâce à un système de balais/collecteur.
2.3 Fonctionnement en Moteur / Génératrice
Dans le cas du fonctionnement en génératrice, le courant dans le bobinage induit est créé par la rotation forcée du rotor. Alors que dans le cas du fonctionnement en moteur, ce même courant est imposée par l'alimentation. Ces deux types de fonctionnement sont représentés dans la figure suivante.
2.4 Bilan de puissance et rendement
L'écoulement de puissances au sein de la machine à courant continu dépend du mode de fonctionnement de la machine (moteur ou génératrice). La puissance totale est égale à la somme de la puissance utile avec les pertes.
Cette puissance utile peut être électrique (en mode génératrice) ou mécanique (en mode moteur). En effet, on peut écrire :
2.4.1 En fonctionnement moteur
La puissance totale (considérée comme puissance électrique) est donnée par :
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(6.1) |
La puissance utile (puissance mécanique dans le cas du fonctionnement moteur) est donnée par :
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(6.2) |
avec :
C : Couple électromagnétique.
Ω : Vitesse angulaire.
Enfin, les pertes prises en considération sont : les pertes mécaniques Pm et les pertes par effet Joule PJ données par :
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(6.3) |
2.4.2 En fonctionnement génératrice
La puissance totale (considérée comme puissance mécanique) est donnée par :
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(6.4) |
La puissance utile (puissance électrique dans le cas du fonctionnement génératrice) est donnée par :
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(6.5) |
Enfin, les pertes prises en considération sont les mêmes pour le fonctionnement en génératrice.
2.4.3 Rendement
Pour le rendement, il est calculé de la même manière pour le fonctionnement moteur ou génératrice. Il est donné par :
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(6.6) |
avec :
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(6.7) |
3. Machine électrique à courant alternatif
Les machines électriques fonctionnant à courant alternatif sont divisées en deux grandes familles: machines synchrones et machines asynchrones.
3.1 Machine synchrone
La machine synchrone se compose d'un stator et d'un rotor séparés par l'entrefer. Il s'en différencie par le fait que le flux dans l'entrefer n'est pas dû à une composante du courant statorique. En effet, il est créé par des aimants ou par le courant inducteur fourni par une source à courant continu extérieure qui alimente un enroulement placé dans le rotor.
Le stator comprend une carcasse et un circuit magnétique généralement constitués de tôles d'acier au silicium et d’un bobinage triphasé analogue à celui d’un moteur asynchrone alimenté en courant alternatif triphasé pour produire un champ tournant.
Le rotor porte des aimants ou des bobines d'excitation parcourues par un courant continu qui créent des pôles Nord et Sud intercalés.
3.2 Machine asynchrone
La machine asynchrone est constituée des éléments suivants : Le stator (partie fixe) constitué de disques en tôle magnétique portant les enroulements chargés de magnétiser l’entrefer. Le rotor (partie tournante) constitué de disques en tôle magnétique empilés sur l’arbre de la machine portant un enroulement bobiné ou injecté. Les organes mécaniques permettant la rotation du rotor et le maintien des différents sous-ensembles.
Le moteur asynchrone possède le même stator qu'un moteur synchrone. En effet, un ensemble de trois bobinages est parcouru par des courants triphasés induisant ainsi, un champ tournant statorique de vitesse de rotation égale à :
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(6.8) |
où:
f : est la fréquence d'alimentation (des courants statoriques).
p : est le nombre de paires de pôles du bobinage statorique.
Ns : est appelée vitesse de synchronisme (en tours/min).
La principale différence avec le moteur synchrone réside dans la partie du rotor. En effet, le rotor est constitué de conducteurs (sous forme de bobinages ou de barres métalliques) court-circuités. Lorsque le champ tournant balaye les conducteurs rotoriques, il induit (par la loi de Lenz-Faraday) des courants qui entrent en interaction avec le champ permettant ainsi la création d'un couple moteur qui tend à mettre le rotor en mouvement. Le rotor se met à tourner pour tenter de suivre le champ statorique.
Seulement, le moteur asynchrone est dans l'impossibilité de tourner à la même vitesse que le champ statorique (vitesse de synchronisme) d'où l'appellation "asynchrone". Il tourne donc à une vitesse de rotation légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme. Cette légère différence est appelée : glissement.
3.3 Notion du glissement
Le glissement est une grandeur caractérisant l'écart de vitesse de rotation d'une machine asynchrone par rapport à la vitesse de rotation de son champ statorique. Cet écart de vitesse est essentiel dans le fonctionnement du moteur asynchrone puisque le décalage entre le rotor et le champ statorique est responsable de l'apparition des courants induits au rotor.
Le glissement g est calculé en fonction de l'écart entre les vitesses de rotation et celle de synchronisme par rapport à la vitesse de synchronisme. Par conséquent, le glissement est une grandeur relative "sans dimension" calculée par la relation suivante :
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(6.9) |
avec : Nr : vitesse de rotation du rotor (en tours/min).
Ainsi, une introduction est donnée aux machines électriques (durant le présent chapitre) à travers la présentation de la machine à courant continu en fonctionnement moteur et génératrice. Le rendement et le bilan de puissance est également présenté dans le but de cerner les principales puissances et pertes.
Cette présentation peut être généralisée aux différents types de machines électriques selon le mode d'alimentation et la géométrie de la machine électrique étudiée.