machines tornantes

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ELECTROTECHNIQUE 2 MACHINES ELECTRIQUES AZYAT ABDELILAH ENSAT 2013-2014

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Page 1: Machines tornantes

ELECTROTECHNIQUE 2

MACHINES ELECTRIQUES

AZYAT ABDELILAHENSAT 2013-2014

Page 2: Machines tornantes

Sommaire

1. Les machines électriques tournantes Les lois de l’électromagnétisme Champ tournant Champ tournant produit par un aimant Champ tournant produit par un système triphasé Principe de la machine synchrone Principe de la machine asynchrone

2. Machines synchrones3. Machines asynchrones4. Machines spéciales (Moteur universel…)

Page 3: Machines tornantes

1.Les machines électriques tournantesTypes de machines électriques tournantes

• Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :

du courant continu Machine à courant continu

• Moteur à courant continu• Dynamo (génératrice à courant continu)

du courant alternatif, monophasé ou triphasé Machine synchrone

• Moteur synchrone• Alternateur synchrone

Machine asynchrone• Moteur asynchrone

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 4: Machines tornantes

1.Les machines électriques tournantes

Principe de fonctionnent

Les lois de l’électromagnétisme:

Les machines électriques tournantes fonctionnent grâce à :– La loi d’Ampère– La loi de Laplace– La loi de Faraday– La loi de Lenz

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 5: Machines tornantes

1.Les machines électriques tournantesLa loi d’Ampère

• ÉnoncéCourant dans un conducteur Champ ⇒

d’induction magnétique B

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

M

Création d’un champ magnétique dans un circuit électrique parcouru

par un courant d'intensité I est : B

SIM

.M

I

B

Page 6: Machines tornantes

1.Les machines électriques tournantesLa loi d’Ampère

• Courant et champ de même nature– Courant continu B continu⇒– Courant alternatif B ⇒

alternatif

• UtilitéOn peut créer des champs magnétiques

avec du courant

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 7: Machines tornantes

Les lois de l’électromagnétismeLa loi de Laplace

• Énoncé:Un conducteur parcouru par un courant et plongé

dans un champ magnétique subit une force mécanique appelée: force de Laplace

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

sin

F B I

B I l

Page 8: Machines tornantes

• un cadre traversé par un courant dans un champ magnétique subit une force qui se traduit en un couple de rotation.

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Les lois de l’électromagnétismeLa loi de Laplace

Page 9: Machines tornantes

• Conducteur libre → mouvement• Technologie → contrôle du

mouvement

• Utilité:On peut faire bouger des circuits avec

des champs magnétiques

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Les lois de l’électromagnétismeLa loi de Laplace

Page 10: Machines tornantes

mise en évidence expérimentale de l’induction électromagnétique

• Lorsqu’on approche le nord d’un aimant droit, comment elle est la tension visualisée?

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Sens de

déplacement

on visualise une tension positive

Page 11: Machines tornantes

mise en évidence expérimentale de l’induction électromagnétique

• Lorsqu’on approche un sud, comment elle est la tension visualisée?

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Sens de

déplacement

on visualise une tension négative

Page 12: Machines tornantes

mise en évidence expérimentale de l’induction électromagnétique

• Dès que l’on approche ou éloigne une source de champ magnétique d’un circuit électrique fixe,

• le champ magnétique qui traverse celui-ci varie et il se crée aux bornes du circuits une tension : tension induite

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 13: Machines tornantes

La loi de Faraday

• ÉnoncéLa force électromotrice (f.é.m) e induite dans un

circuit sous l’effet d’un champ magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ.

– Circuit fermé naissance d’un courant⇒

• UtilitéOn peut induire des tensions et des courants (puissance

électrique) à l’aide d’un champ magnétique

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 14: Machines tornantes

La loi de Faraday

Application : alternateur

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

On fait tourner un aimant droit devant une bobine

Il se crée une tension alternative, quasi sinusoïdale.

Page 15: Machines tornantes

La loi de Lenz

• ÉnoncéLe sens du courant induit est tel que, par ses

effets électromagnétiques, il s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance

• UtilitéDécrit la conservation de l’énergie et permet

d’établir les sens des tensions et des courants induits

• Rappel : convention générateur ⇒ e et I dans le même sens

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 16: Machines tornantes

Application: machines tournantes

• Comment réaliser des machines?

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

•Il faut générer un champ magnétique:– C’est le rôle du STATOR (appelé aussi

inducteur) qui est la partie fixe du moteur.

•Il faut un cadre mobile (en rotation) traversé par un courant électrique:

– C’est le rôle du ROTOR (appelé aussi induit) qui est la partie mobile du moteur.

Page 17: Machines tornantes

Application: machines tournantes

• Première version possible de machines

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

• Le champ magnétique peut avoir une direction constante.

Cela désigne une machine à courant continu (CC).

Toutefois, il y a un petit problème.

Page 18: Machines tornantes

Application: machines tournantes

• Voici le problème

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

• A 0°, un couple fait tourner le cadre.• 90° plus tard, le couple est nul.• 180° plus tard, le couple est l’inverse

de celui à 0° .

Page 19: Machines tornantes

Application: machines tournantes

• Solution

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Inverser le sens du courant à chaque fois que le couple devient nul. Ce qui se fait avec des balais (au stator) et des collecteurs (au rotor).

Axe de rotation

Page 20: Machines tornantes

Application: machines tournantes

• Seconde version possible des machines à courant alternatif

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

• Le champ magnétique tourne. Cela désigne un moteur à courant alternatif

(CA).

Comment avoir un champ magnétique tournant ?

Page 21: Machines tornantes

Application: machines tournantes

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Comment avoir un champ magnétique tournant ?

Page 22: Machines tornantes

Champ tournant

• C'est quoi un champ tournant ?– C'est un aimant qui tourne autour

d'un axe?– c'est un rotor !

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 23: Machines tornantes

Champ tournant produit par un aimant

• Le champ magnétique “tournant” est caractérisé par sa vitesse de rotation ΩS

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 24: Machines tornantes

Champ tournant produit par un aimant

Expérience 1

• L’aimant en U crée……………………………………….

• Quand l’aimant reste immobile, l’aiguille aimantée s’oriente dans le sens du ……………………

• Dès que l’aimant tourne, l’aiguille ………………… dans le même sens et à la même …………………..

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

un champ magnétique

champ

tourne

vitesse

Page 25: Machines tornantes

Expérience 1

• L’aiguille entraînée par le champ magnétique (créé par l’aimant en U) tourne à la même vitesse que ce dernier.

• On dit que la rotation est synchrone.• La vitesse de rotation du champ est

appelée………………………………………………….• notée ΩS (en rad/s) ou nS (en tour/s).

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Champ tournant produit par un aimant

vitesse de synchronisme

Page 26: Machines tornantes

Champ tournant produit par un système triphasé

Expérience 2

• Les axes de 3 bobines identiques forment entre eux des angles de 120°.

• Ces bobines sont alimentées par………………………..

• L’aiguille tourne alors spontanément dans un sens • Si on inverse l’ordre des phases d’alimentation alors

l’aiguille tourne dans ………………………, à la même vitesse.

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone un réseau triphasé de tension

le sens inverse

Page 27: Machines tornantes

Champ tournant produit par un système triphasé

Expérience 2

• Les trois bobines disposées à 120° l’une de l’autre et alimentées par un réseau triphasé,

• créent un champ magnétique tournant dont le sens dépend de l’ordre des phases d’alimentation des bobines.

• La vitesse de synchronisme ΩS varie avec la pulsation ω du réseau.

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 28: Machines tornantes

Expérience 3

• On reprend le même aimant en U que précédemment et on place un disque plein et conducteur.

• Le disque ……………. quand l’aimant………………., dans le même sens , mais ………………………………...

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Champ tournant produit par un aimant

tourne tournemoins vite

Page 29: Machines tornantes

Champ tournant produit par un aimant

Expérience 3

• Le champ tournant provoque la rotation du conducteur, mais à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme.

• On dit que la rotation est …………………………………….

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

asynchrone

Page 30: Machines tornantes

Expérience 4

• On reprend le dispositif précédent et l’on place au milieu des bobines, un disque plein et conducteur.

• Ce disque tourne quand les bobines sont alimentées mais plus lentement que l’aiguille aimantée précédente.

• Le sens de rotation s’inverse quand on………………deux phases du réseau d’alimentation

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Champ tournant produit par un système triphasé

inverse

Page 31: Machines tornantes

Champ tournant produit par un système triphasé

Expérience 4

• Le champ tournant créé par les trois bobines provoque la rotation du conducteur,

• mais à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme,

• on dit que la rotation est ……………………

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

asynchrone

Page 32: Machines tornantes

Principe de la machine synchrone

Décrire le principe de fonctionnement de la machine synchrone

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 33: Machines tornantes

Principe de la machine synchrone

• L’ensemble des lignes de champ créées par un stator de machine électrique (3 bobines à 120° l’une de l’autre alimentées par le réseau triphasé) tourne à la vitesse de synchronisme ΩS.

• La vitesse de synchronisme dépend de la pulsation ω de l’alimentation.

ω = p. ΩS Où p est un entier (paire de pôles de la machine)

Les deux premières expériences illustrent le fonctionnement de la machine synchrone :

le rotor (aimant) tourne à la même vitesse que le champ créé par le stator (3 bobines)

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 34: Machines tornantes

Principe de la machine asynchrone

Décrire le principe de fonctionnement de la machine asynchrone

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 35: Machines tornantes

Principe de la machine asynchrone

• Les deux dernières expériences illustrent le fonctionnement de la machine asynchrone :

le rotor (disque conducteur) tourne plus lentement que le champ créé par le stator (bobines…)

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Page 36: Machines tornantes

Machine synchrone

• Utilisations de la machine synchrone

• Dans les centrales électriques, la machine synchrone transforme l'énergie mécanique en énergie électrique.

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

20 kV

Production

Puissance de quelques 100MW à 1,5 GVW

Page 37: Machines tornantes

Machine synchrone: L' ALTERNATEUR

• Puissance de quelques kW

1. Les machines électriques tournantes

• Les lois de l’électromagnétisme

• Champ tournant

• Champ tournant produit par un aimant

• Champ tournant produit par un système triphasé

• Principe de la machine synchrone

• Principe de la machine asynchrone

Puissance sur l'A320 : 2 x 90 kW

Puissance de quelques centaines de W