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Guide du câblage universel

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Principes D'électrotechnique

Principes D'électrotechnique:
Energie Magnétisme
Machines Synchrones
Machines Asynchrones D'induction
Machines A Courant Continue
Synthèse


Synthèse

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Electronique Appliquée Aux Hautes Fréquences

Dans le domaine des hautes fréquences ou radiofréquences il est coutume d’entendre que le passage de la théorie à la pratique est un exercice périlleux qui est une affaire de spécialiste où seule l’expérience compte. On peut s’étonner de cette réflexion qui permettrait de conclure aisément qu’il existe, dans ce domaine, deux approches du problème, l’une théorique, l’autre pratique, avec une faible corrélation entre les deux pproches.
Bien évidemment il n’en est rien. En radiofréquence, comme dans tous les domaines, la pratique n’est qu’une mise en application des règles théoriques élémentaires.
L’impression que, dans la pratique, un système, un sous-ensemble ou un composant ne suit pas les règles  héoriques établies ne peut provenir que d’une mauvaise compréhension, ou d’une simplification hasardeuse,  esdites règles.



Admettre et répandre l’idée qu’en radiocommunication seule l’expérience est importante semble quelque peu incorrect. L’expérience est certes un atout non négligeable mais elle a le même poids quels que soient le sujet  ou les techniques traitées.
En radiocommunication la question posée au concepteur peut se mettre sous une forme simple : comment  transmettre à distance une information m(t), analogique ou numérique, via un médium particulier avec un indice de qualité préalablement défini puis réaliser les équipements émetteurs et récepteurs pour un coût maximum donné.
À ces critères de conception on ajoutera un paramètre supplémentaire relatif au respect des normes en vigueur. Pour arriver aux produits finis, la méthodologie utilisée est généralement descendante, de la spécification en passant par éventuellement une phase de modélisation et simulation. Le premier travail consiste donc à réunir les différentes données du problème afin d’envisager une ou plusieurs solutions. Cette première étape, essentiellement théorique, permet de définir des architectures d’émetteurs et récepteurs. Les outils de CAO peuvent être un complément intéressant en proposant une modélisation et une vérification fonctionnelle Dans le domaine des hautes fréquences ou radiofréquences il est coutume d’entendre que le passage de la théorie à la pratique est un exercice périlleux qui est une affaire de spécialiste où seule l’expérience compte. On peut s’étonner de cette réflexion qui permettrait de conclure aisément qu’il existe, dans ce domaine, deux approches du problème, l’une théorique, l’autre pratique, avec une faible corrélation entre les deux approches.
Bien évidemment il n’en est rien. En radiofréquence, comme dans tous les domaines, la pratique n’est qu’une mise en application des règles théoriques élémentaires.
L’impression que, dans la pratique, un système, un sous-ensemble ou un composant ne suit pas les règles théoriques établies ne peut provenir que d’une mauvaise compréhension, ou d’une simplification hasardeuse, desdites règles.
Admettre et répandre l’idée qu’en radiocommunication seule l’expérience est importante semble quelque peu incorrect. L’expérience est certes un atout non négligeable mais elle a le même poids quels que soient le sujet ou les techniques traitées.
En radiocommunication la question posée au concepteur peut se mettre sous une forme simple : comment transmettre à distance une information m(t), analogique ou numérique, via un médium particulier avec un indice de qualité préalablement défini puis réaliser les équipements émetteurs et récepteurs pour un coût maximum
donné.
À ces critères de conception on ajoutera un paramètre supplémentaire relatif au respect des normes en vigueur. Pour arriver aux produits finis, la méthodologie utilisée est généralement descendante, de la spécification en passant par éventuellement une phase de modélisation et simulation. Le premier travail consiste donc à réunir les différentes données du problème afin d’envisager une ou plusieurs solutions. Cette première étape, essentiellement théorique, permet de définir des architectures d’émetteurs et récepteurs. Les outils de CAO peuvent être un complément intéressant en proposant une modélisation et une vérification fonctionnelle Dans le domaine des hautes fréquences ou radiofréquences il est coutume d’entendre que le passage de la théorie à la pratique est un exercice périlleux qui est une affaire de spécialiste où seule l’expérience compte. On peut s’étonner de cette réflexion qui permettrait de conclure aisément qu’il existe, dans ce domaine, deux approches du problème, l’une théorique, l’autre pratique, avec une faible corrélation entre les deux approches. Bien évidemment il n’en est rien. En radiofréquence, comme dans tous les domaines, la pratique n’est qu’une mise en application des règles théoriques élémentaires.
L’impression que, dans la pratique, un système, un sous-ensemble ou un composant ne suit pas les règles théoriques établies ne peut provenir que d’une mauvaise compréhension, ou d’une simplification hasardeuse, desdites règles.
Admettre et répandre l’idée qu’en radiocommunication seule l’expérience est importante semble quelque peu incorrect. L’expérience est certes un atout non négligeable mais elle a le même poids quels que soient le sujet ou les techniques traitées.
En radiocommunication la question posée au concepteur peut se mettre sous une forme simple : comment transmettre à distance une information m(t), analogique ou numérique, via un médium particulier avec un indice de qualité préalablement défini puis réaliser les équipements émetteurs et récepteurs pour un coût maximum
donné.
À ces critères de conception on ajoutera un paramètre supplémentaire relatif au respect des normes en vigueur. Pour arriver aux produits finis, la méthodologie utilisée est généralement descendante, de la spécification en passant par éventuellement une phase de modélisation et simulation. Le premier travail consiste donc à réunir les différentes données du problème afin d’envisager une ou plusieurs solutions. Cette première étape, essentiellement théorique, permet de définir des architectures d’émetteurs et récepteurs. Les outils de CAO peuvent être un complément intéressant en proposant une modélisation et une vérification fonctionnelle du système. Il est à noter qu’ils doivent être utilisés avec parcimonie et à bon escient car il existe une part non déterministe d’une chaîne de transmission qui ne peut être modélisée.
Ces synoptiques mettent en évidence les fonctions élémentaires telles que amplificateurs, mélangeurs, oscillateurs, PLL ou filtres, qui eux aussi pourront faire l’objet de simulations.
La conception des différentes briques ou fonctions élémentaires est la suite logique à l’affectation des performances pour chaque fonction.
Dans cet ouvrage les auteurs ont voulu donner aux lecteurs, qu’ils soient ingénieurs, chercheurs ou étudiants, l’essentiel des informations nécessaires pour mener à bien et réussir la conception d’équipements de transmissions. Aux règles de base théoriques essentielles sont associés des exemples pratiques qui trouvent
leur justification dans l’ensemble des chapitres.
Les diverses descriptions et exemples n’ont qu’un but didactique, expliquant le lien entre théorie et pratique, elles peuvent servir de source d’inspiration pour d’autres systèmes mais n’ont pas vocation à une duplication immédiate. Le parcours du concepteur est semé d’embûches, cet ouvrage voudrait être l’aidemémoire du concepteur qui ne doit pas oublier son objectif principal. Les études théoriques, la CAO, les mesures, les prototypes, ne sont que des étapes intermédiaires, qui ne sont justifiées que par l’objectif final.
Quelle que soit la phase de conception dans laquelle se trouve le concepteur, celui-ci ne devra pas manquer d’esprit critique. Dans une phase théorique on s’intéressera à la dimension donnée par une formule. On s’inquiétera des résultats numériques avec des ordres de grandeur déraisonnables. On limitera les résultats numériques à une précision juste suffisante. On évitera l’amas de résultats de simulation dans lequel il sera impossible d’extraire l’essentiel. Bien que l’on ait coutume de dire que l’expérience est difficilement transmissible, les auteurs ont souhaité mettre ici, à disposition des concepteurs, tous les ingrédients utiles et nécessaires, garantissant un certain succès des implémentations.
Dans cette nouvelle édition, les auteurs vous proposent des suppléments en ligne sur le site www.dunod.com qui correspondent aux modélisations des différentes notions de modulation et démodulation abordées ainsi qu’un tutoriel sur le logiciel Matlab.

Electronique Appliquee Aux Hautes Frequences -

Symboles normalisés pour schémas électriques

Le présent document a pour objet de faciliter la réalisation de schémas d’installations électriques.

Sur la route de l’électricité (tome 2)

Ce deuxième volume de Sur la route de l’électricité décrit comment les hasards et la méthode scientifique ont conduit à la découverte et au perfectionnement des piles électriques, ainsi qu’à la découverte et aux applications des phénomènes reliés aux courants électriques, qu’on a appelés l’électricité dynamique. On y trouve, entre autres, l’évolution des moteurs électriques depuis le début du 19e siècle jusqu’aux moteurs-roues dans les véhicules électriques modernes. Ces nouveaux moteurs et les dernières générations de batteries sont sur le point d’engendrer une révolution fantastique qui pourrait mettre fin à l’ère du pétrole pour les automobiles d’ici vingtcinq ans ! Bien d’autres sujets fascinants sont également abordés dans le présent volume, dont les piles à combustible, les thermopiles des sondes spatiales, les supraconducteurs et la propulsion silencieuse des futurs navires et aéronefs par des champs électriques et magnétiques, sans hélices, sans pales, sans réacteurs et sans ailes !
Sur la route de l’électricité : Tome 1

Sur la route de l’électricité (tome 1)

Une initiation à l’électricité par l’histoire et l’expérimentation
Pour la très grande majorité d’entre nous, l’électricité représente soit de grandes entreprises de production ou de transport d’énergie, une facture à payer à la fin du mois ou un choc électrique, c’està- dire un certain danger, une force mystérieuse. Pourtant, l’électricité soutient de manière fondamentale notre confort et notre bien-être, de même que l’organisation de nos sociétés. Nous sommes certainement conscients de notre extrême dépendance vis-à-vis de l’électricité, et nous nous en rendons bien compte surtout lors des grandes pannes de courant.
Contrairement aux autres forces fondamentales de la nature (la gravitation, la force nucléaire et la force électro-faible) que nous avons aussi appris à comprendre, à utiliser et à contrôler jusqu’à un certain point, la force électrique est entrée dans nos vies et nos sociétés d’une façon qui a complètement transformé les moyens de nous transporter, de nous nourrir, de nous instruire et de nous soigner.
Pourtant, nous comprenons mal ce qu’est exactement l’électricité. L’objectif du magnifique ouvrage Sur la route de l’électricité signé par Pierre Langlois est de démontrer par l’histoire et l’expérimentation que l’électricité, cette force invisible, peut être sentie, dirigée et comprise ; l’électricité est notre grande alliée pour faire face aux défis que pose la démographie croissante à l’environnement et aux ressources naturelles dont nous dépendons. Plus important, Pierre Langlois décrit la fascinante aventure de la découverte de l’électricité et du magnétisme, unifiés au 19e siècle par le physicien James Clerk Maxwell. La démarche intellectuelle de cette belle histoire représente un des plus beaux tableaux de l’histoire des sciences et des techniques. Pierre Langlois peint ce tableau avec une adresse extraordinaire.
Dans cet ouvrage unique, Pierre Langlois déchire élégamment le voile qui cache la nature de l’électricité et ses milliers de manifestations, certaines sont en effet fort étranges. L’auteur le fait d’une façon qui fascinera à la fois les jeunes et les moins jeunes. Il étonnera même les experts, les ingénieurs, les physiciens et tous les professionnels qui oeuvrent dans les domaines directement reliés à l’utilisation de l’électricité.
Sur la route de l’électricité est un guide extraordinaire pour un voyage fascinant à travers des expériences extraordinaires que vous pourrez accomplir avec des moyens simples. Émotion, créativité et plaisir en sont les mots clés.
L’auteur, Pierre Langlois, est non seulement un scientifique rigoureux et érudit, mais aussi un pédagogue sans égal. Il démontre dans cet ouvrage une grande habileté technique et une superbe sensibilité à l’efficacité de l’apprentissage. La conception et la réalisation des expériences décrites dans cet ouvrage représentent un chefd’oeuvre pédagogique.
Partez en voyage Sur la route de l’électricité et laissez-vous guider par Pierre Langlois. Préparez-vous à plusieurs excursions vers vos quincailleries et pharmacies préférées…
Sur la route de l’électricité (tome 2)

EntraÎnement Électronique Des Moteurs À Courant Continu

Dans ce chapitre décrivant les divers types d'entraînement de moteurs à courant continu, nous avons appliqué les principes d'électronique de puissance appris au chapitre précédent. Pour contrôler la vitesse des moteurs c.c . lorsque leur charge impose des conditions de couple changeantes, les entraînements utilisent des convertisseurs qui contrôlent la tension appliquée à l'induit . Ces convertisseurs sont pilotés par des systèmes de commande qui génèrent automatiquement les impulsions appliquées aux différentes valves à partir des mesures de vitesse, courant, . ... et des valeurs de consigne.
On utilise deux grandes catégories de convertisseurs : 1) les redresseurs et onduleurs à diodes et thyristors alimentés par une source c .a . et 2) les hacheurs à GTO, IGBT ou autres valves à commutation forcée, alimentés par une source c .c . Les convertisseurs alimentés en c .a . utilisent le pont à six thyristors . Le convertisseur le plus simple est composé d'un seul pont, mais son fonctionnement est limité au premier quadrant (couple et vitesse positifs) . Pour freiner le moteur, il faut inverser le couple . On réalise un tel entraînement fonctionnant dans les quadrants 1 et 4 en connectant deux convertisseurs en antiparallèle : l'un fonctionne en redresseur et l'autre fonctionne en onduleur pendant les périodes de freinage. Dans l'entraînement à courant de circulation les deux convertisseurs fonctionnent simultanément, l'un en redresseur et l'autre en onduleur, ce qui permet un meilleur contrôle de la vitesse à faible couple . L'utilisation de deux convertisseurs permet en fait de faire fonctionner le moteur dans les quatre quadrants, sans inverser le champ. Dans ce mode de fonctionnement les angles d'allumage des deux convertisseurs sont tels qu'ils fonctionnent à tour de rôle en redresseur ou en onduleur . On a vu aussi que l'utilisation d'une diode de roue libre permet de réduire la consommation de puissance réactive d'un redresseur pour les angles d'allumage voisins de 90 degrés (tension faible) . Dans le redresseur mixte, on remplace trois des thyristors par trois diodes, ce qui permet de réduire encore davantage la puissance réactive et le coût du convertisseur. Les hacheurs sont utilisés fréquemment dans les systèmes de traction alimentés en c .c. où ils permettent de contrôler les moteurs série avec une grande souplesse lors de l'accélération et de la décélération . Les deux principaux paramètres caractérisant ces hacheurs sont lafréquence de découpage de la tension c .c . appliquée au moteur (comprise entre quelques centaines de hertz et quelque kilohertz) et le rapport cyclique . Nous avons analysé le fonctionnement détaillé d'un hacheur dévolteur et d'un hacheur à quatre quadrants . Nous avons vu comment, à partir des principes exposés au chapitre précédent, on peut calculer les valeurs moyennes des tensions et courants continus ainsi que leurs formes d'onde . Enfin, nous avons appris comment fonctionne le moteur c.c. sans balais . Dans cette machine qui s'apparente en fait à une machine c .a . synchrone, le collecteur et les balais sont remplacés par un convertisseur en pont dont les impulsions d'allumage sont synchronisées avec la position du rotor. Pour cette raison on l'appelle aussi machine synchrone autopilotée .

Commande électronique Des Moteurs à Courant Alternatif

Les moteurs à c.a . tendent à remplacer les moteurs à c.c . dans les entraînements à vitesse et à couple variables en raison de la simplicité de leur construction, de la disponibilité des valves électroniques à commutation forcée et du développement de techniques de commandes ingénieuses . Ce chapitre sur les entraînements de moteurs à c.a est donc particulièrement important . On y met en application les principes d'électronique de puissance appris au chapitre 42 . Les variateurs de vitesse à c .a. utilisent des convertisseurs qui contrôlent la tension et lafréquence appliquées au stator. Ces convertisseurs sont pilotés par des systèmes de commande qui génèrent automatiquement les impulsions appliquées aux différentes valves à partir des mesures de vitesse, courant. .., et des valeurs de consigne . On utilise deux grandes catégories de variateurs de vitesse : 1) les variateurs de vitesse à commutation naturelle utilisant des diodes et des thyristors, et 2) les variateurs de vitesse utilisant des onduleurs autonomes à base de valves à commutation forcée . Dans la catégorie des convertisseurs à commutation naturelle, nous avons vu l'utilisation d'un redresseur et d'un onduleur en cascade pour alimenter un moteur synchrone autopiloté. Le redresseur produit une tension continue qui est transformée par l'onduleur en tension alternative à fréquence variable . La boucle de tension reliant le redresseur et l'onduleur peut agir comme source de tension ou source de courant . Le même montage, lorsqu'il est utilisé dans le rotor d'un moteur asynchrone est appelé cascade hyposynchrone . Il permet de contrôler la vitesse et de retourner l'énergie rotorique au réseau . Une autre catégorie de convertisseur est le cycloconvertisseur utilisé pour contrôler la vitesse d'un moteur synchrone ou asynchrone . Il utilise pour chaque phase du stator deux convertisseurs à thyristors pour synthétiser des ondes de tension à basse fréquence (de zéro à 25 Hz) à partir de la tension à 60 Hz du réseau . Lorsque le couple imposé par la charge d'un moteur asynchrone varie sensiblement avec le carré de la vitesse, on peut commander la vitesse en faisant simplement varier la tension appliquée au stator à l'aide d'un gradateur . Le gradateur utilise deux thyristors en antiparallèle dans chaque phase . Il est aussi utilisé comme démarreur statique pour remplacer les disjoncteurs conventionnels et contrôler le démarrage et l'arrêt des moteurs asynchrones . Les onduleurs autonomes utilisent des ponts de valves à commutation forcée (GTO, IGBT ou MOSFET en parallèle avec des diodes) . On distingue les onduleurs générant des ondes de tension ou courant rectangulaires et ceux générant des tensions à modulation de largeur d'impulsion (MLI) . Pour les variateurs à onde rectangulaire, un onduleur est alimenté par une source de tension ou de courant continu variable (redresseur à thyristors ou groupe redresseur à diodes/hacheur) . Chacun des six interrupteurs de l'onduleur autonome conduit pendant 180 degrés et les périodes de conductions sont déphasées de 60 degrés . Les variateurs utilisant des onduleurs à MLI sont alimentés par une source de tension constante . Les six interrupteurs commutent à une fréquence de découpage de quelques kilohertz. En programmant le rapport cyclique des six interrupteurs on génère trois tensions hachées contenant la fondamentale d'amplitude et de fréquence désirées . Ces tensions qui contiennent des harmoniques au voisinage des multiples de la fréquence de découpage sont appliquées directement au moteur où elles produisent des courants assez sinusoïdaux. Dans certaines applications comme dans les systèmes de traction, requérant une grande gamme de vitesses, donc de fréquences, on utilise à la fois le mode à onde rectangulaire et le mode MLI. Les ondes rectangulaires sont utilisées pour générer les fréquences supérieures à environ 50 Hz, à tension constante . Le mode MLI synchronisé est utilisé aux fréquences intermédiaires pour réduire les harmoniques et le mode MLI non synchronisé est utilisé pour générer les très basses fréquences . Deux techniques de commande utilisées avec les variateurs de vitesse à MLI ont été développées pour assurer une réponse rapide à un changement de couple ou de vitesse : le contrôle vectoriel et la commande directe du couple par hystérésis . Ces deux techniques de commande permettent ainsi d'obtenir avec un moteur asynchrone une réponse dynamique comparable à celle obtenue avec un moteur à c .c . Le contrôle vectoriel consiste à générer les tensions MLI requises de façon à maintenir en tout temps un flux constant dans l'entrefer et à obtenir un décalage aussi proche que possible de 90 degrés entre les vecteurs d'espace du flux et de la force magnétomotrice des courants rotoriques, assurant ainsi un couple maximum. La commande directe du couple utilise une mesure des courants statoriques et un modèle virtuel du moteur pour évaluer le couple, le flux accroché par le stator et la vitesse. En agissant sur l'état des interrupteurs de l'onduleur, le système de commande contraint le couple et le flux à rester à l'intérieur d'une bande située de part et d'autre d'une valeur de consigne . Ce contrôle par hystérésis produit une fréquence de découpage variable d'autant plus grande que la bande de tolérance est faible . ...

Moteurs pas à pas

Dans ce chapitre nous avons vu que les moteurs pas à pas sont conçus pour tourner par incréments discrets, d'une fraction de tour à la fois, lorsqu'ils sont alimentés par une série d'impulsions . Ils comprennent un stator à pôles saillants munis d'enroulements et d'un rotor également à pôles saillants, en fer doux ou à aimants permanents et comportant un nombre de pôles différent du stator. À chaque impulsion appliquée à un enroulement du stator, le rotor tourne d'un angle constant dont la valeur dépend du nombre de pôles du stator et du nombre de pôles du rotor. Selon la construction du rotor, on distingue trois types principaux de moteurs pas à pas : les moteurs à réluctance, les moteurs à aimants permanents et les moteurs hybrides . Les moteurs hybrides comportent deux armatures de fer doux à pôles saillants, enserrant un aimant permanent axial qui crée une alternance de pôles N et S .

Les enroulements du stator sont de type bipolaire (une bobine par pôle créant un pôle N ou S selon le sens du courant) ou unipolaire (deux bobines par pôle créant chacune un pôle qui a toujours la même polarité) . Ils sont excités à tour de rôle par une source de tension continue, à travers des commutateurs électroniques, généralement des transistors . L'excitation peut être de type ondulée (un seul groupe de bobines alimentées à la fois), de type standard (deux groupes de bobines alimentées en même temps) ou de type demi-pas (combinaison des deux modes précédents) . En mode de rotation normal (pas à pas), à cause de l'inertie du rotor, le déplacement du rotor produit par chaque impulsion prend un certain temps . Dans ce mode, il existe donc une limite supérieure à la fréquence des impulsions que l'on peut appliquer au stator. Si l'on continue à augmenter la fréquence des impulsions, le moteur fonctionne en survitesse, sans s'arrêter à chaque pas, mais tout en gardant le synchronisme avec les impulsions . Enfin nous avons vu que l'inductance des enroulements du stator limite le temps de montée et de descente des impulsions de courant, ce qui a pour effet de réduire le couple développé et la fréquence maximale des impulsions qu'on peut appliquer.Afin de réduire la constante de temps d'établissement du courant, on peut augmenter la résistance en série avec les enroulements et la tension d'alimentation . Pour éviter les pertes occasionnées par cette méthode on a aussi recours à une alimentation à deux niveaux de tension, combinée avec des interrupteurs à transistors et des diodes . ...
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Alternateurs Triphasés

Les alternateurs de grande puissance sont constitués d'un stator ou induit portant un enroulement triphasé branché en étoile et distribué dans des encoches, et d'un rotor ou inducteur portant un enroulement alimenté en courant continu . Le courant d'excitation peut être produit par une génératrice à courant continu ou excitatrice montée en bout d'arbre et branchée à l'inducteur à travers une paire de bagues et de balais . Dans les machines modernes, on utilise plutôt une excitation sans balais ni bagues constituée d'un alternateur triphasé à induit tournant et d'un redresseur tournant . Pour les alternateurs entraînés par des turbines hydrauliques tournant à basse vitesse, l'inducteur comporte un grand nombre de pôles saillants . Par contre, pour les turboalternateurs entraînés par des turbines à haute vitesse (3600 r/min ou 1800 r/min) sur un réseau à 60 Hz, le rotor est parfaitement cylindrique et comporte deux ou quatre pôles lisses . Le circuit équivalent de l'alternateur est très simple . Chaque phase comprend une tension interne correspondant à la tension induite par le courant d'excitation, branchée en série avec la résistance du stator et la réactance synchrone (0,8 à 2 p .u .) . Ce circuit équivalent permet de prévoir le courant et la tension de la machine pour tout type de charge et lors d'un courtcircuit. Lorsque l'alternateur est branché à un grand réseau, on doit, avant de fermer le disjoncteur, le synchroniser avec le réseau . Lorsque la turbine entraînant l'alternateur fournit une puissance mécanique, la tension interne de l'alternateur se décale d'un angle de Ô degrés électriques en avance sur la tension à ses bornes . L' alternateur débite alors de la puissance active . Cet angle électrique correspond à un décalage mécanique entre les pôles du rotor et ceux du champ tournant créé par les courants du stator. On a vu aussi que l'alternateur peut absorber ou générer de lapuissance réactive . Lorsque l'alternateur est sous-excité, il absorbe de la puissance réactive du réseau ; lorsqu'il est surexcité, il en fournit. Rappelons enfin que lorsque la charge de l'alternateur change brusquement, ou lorsqu'un court- circuit est appliqué à ses bornes, la réactance synchrone du circuit équivalent doit être remplacée par la réactance transitoire de plus faible valeur (environ 0,2 p.u .) . Cette réactance transitoire permet de calculer le fort courant de court-circuit . Par la suite, le courant se stabilise à sa valeur de régime permanent correspondant à la réactance synchrone ...

Transformateurs Spéciaux

Dans ce chapitre, nous avons étudié les propriétés des transformateurs spéciaux, c'est-à-dire ceux dont la construction diffère du simple transformateur à deux enroulements présenté au chapitre précédent . Il existe de nombreux types de transformateurs spéciaux . Selon le couplage entre les enroulements, on pourrait résumer leurs propriétés en les regroupant en deux grandes catégories . Dans une première catégorie de transformateurs spéciaux, les propriétés de base du transformateur quasi idéal sont conservées: 1) la tension induite dans chaque enroulement est proportionnelle au nombre de spires, car les flux de fuites sont faibles et 2) la somme algébrique des forces magnétomotrices NI de tous les enroulements est nulle, ce qui revient à dire que le courant de magnétisation est négligeable . Dans cette catégorie on trouve les transformateurs de puissance comme le transformateur à secondaire double utilisé pour effectuer la distribution d'électricité dans les maisons, l'autotransformateur et les transformateurs à plusieurs enroulements . Pour des rapports de transformation voisins de l'unité (généralement compris entre 0,5 et 2) l'autotransformateur est moins coûteux que le transformateur conventionnel. Nous avons vu aussi comment monter un transformateur à deux enroulements isolés en autotransformateur abaisseur ou élévateur de tension . Les connexions doivent alors tenir compte des marques de polarité . Entrent aussi dans cette catégorie les transformateurs de mesure qui transforment de faibles puissances, soit le transformateur de courant et le transformateur de tension . Pour le transformateur de courant toroïdal le primaire est constitué d'une seule spire formée par le seul conducteur dont on veut mesurer le courant . Une deuxième catégorie de transformateurs spéciaux englobe les transformateurs à fuites élevées ou à courant de magnétisation important qui sont utilisés dans divers appareils et procédés industriels . Par exemple, les transformateurs utilisés pour l'alimentation des fours à arc, la soudure électrique et l'alimentation des lampes à gaz, ont des réactances de fuite élevées pour limiter le courant. Les transformateurs utilisés pour le chauffage à induction ont un courant de magnétisation élevé et, de ce fait, consomment une grande puissance réactive qui doit être compensée par des condensateurs . Nous avons vu aussi que quel que soit le couplage entre les enroulements il est toujours possible de trouver un circuit équivalent permettant de prévoir le comportement du transformateur alimentant n'importe quelle charge. On a aussi montré que l'on peut même trouver le circuit équivalent d'un circuit couplé quelconque dont on ne peut préciser les nombres de spires . Finalement, nous avons montré les applications d'une propriété fondamentale du transformateur : si l'on maintient une densité de flux constante dans le noyau et une densité de courant constante dans les conducteurs, la puissance que l'on peut en tirer est proportionnelle à sa fréquence d'alimentation . C'est pourquoi l'utilisation d'une haute fréquence, comme le 400 Hz, permet de réduire la taille des transformateurs dans les réseaux embarqués à bord des avions . Dans les alimentations à découpage, l'utilisation de très hautes fréquences, de l'ordre de 100 kHz, combinée avec l'emploi d'aciers spéciaux, permet une réduction substantielle des dimensions tout en améliorant la qualité de la tension c.c . de sortie.

Transformateurs

Le transformateur est un appareil très simple permettant de modifier la tension et le courant dans un circuit à courant alternatif. Dans sa forme la plus élémentaire, il est constitué de deux bobines couplées appelées primaire (côté source) et secondaire (côté charge) montées sur un noyau. Bien que le transformateur idéal n'existe pas, il est important d'en connaître les propriétés fondamentales car les transformateurs utilisés en pratique ont des propriétés très semblables . Pour le transformateur idéal, le rapport des tensions primaire et secondaire est égal au rapport des nombres de tours de ces deux enroulements. Les courants sont dans le rapport inverse . Le transformateur idéal change donc les valeurs des tensions et des courants, et «transforme» les impédances . Toutefois, la puissance active et la paissance réactive sont transportées sans aucune perte du primaire au secondaire . Pour les transformateurs utilisés en pratique, il faut considérer les pertes et le couplage imparfait entre les bobines . Le noyau de fer est le siège de pertes actives dues à l'hystérésis et aux courants de Foucault . De plus, le flux requis par le noyau exige un courant magnétisant qui se traduit par une absorption de puisssance réactive . À cause de la résistance des enroulements, des pertes sont également dissipées dans le cuivre . Enfin, comme tout le flux créé par le primaire ne traverse pas complètement le secondaire, et vice versa, il faut considérer les flux de fuite qui se traduisent par des puissances réactives supplémentaires . L'échauffement causé par les pertes actives dissipées dans le noyau et les enroulements exigent l'utilisation de méthodes de refroidissement . Selon la puissance, on utilise le refroidissement par circulation naturelle ou forcée de l'air et/ou de l'huile . Malgré leurs imperfections, les transformateurs demeurent des appareils de rendement élevé . Si l'on prend en considération les différentes imperfections du transformateur, on peut établir un circuit équivalent pour le transformateur réel . Ce circuit comprend un transformateur idéal auquel on ajoute les résistances et les réactances de fuite des enroulements, ainsi qu'une branche de magnétisation . Ce circuit permet de calculer avec précision les pertes et les chutes de tension à l'intérieur du transformateur . Dans les calculs impliquant des transformateurs de grande puissance, on peut même simplifier le circuit équivalent à une simple réactance de fuite en série avec le transformateur idéal .

PERTES, ÉCHAUFFEMENT, RENDEMENT ET DIMENSIONS DES MACHINES ÉLECTRIQUES

La transformation d'énergie dans les machines comme les génératrices, les moteurs, les transformateurs, ne peut s'effectuer sans pertes . Ces pertes provoquent un échauffement de la machine et une diminution du rendement. Les pertes et donc le rendement d'une machine varient avec la charge . On distingue les pertes mécaniques par frottement et les pertes électriques dans les conducteurs et dans le fer. Les pertes dans les conducteurs sont dues à l'effet Joule. Les pertes massiques (W/kg) dépendent de la densité de courant utilisée, de la résistivité et de la masse volumique du conducteur. Les pertes dans le fer sont dues au phénomène d' hystérésis et aux courants de Foucault. Les pertes massiques dans le fer dépendent de la densité de flux et de la fréquence, ou de la vitesse de rotation . L'utilisation de tôles minces permet de réduire les pertes par courants de Foucault . Des courbes fournies par les manufacturiers permettent d'évaluer les pertes dans le fer pour différents types d'acier . L'échauffement permis pour les machines est établi par les organismes de normalisation. Les normes de température établissent différentes classes de température selon le type d'isolant . Chaque classe correspond à une température maximale permise, allant de 105 °C à 180 °C . Pour mesurer l'échauffement on peut déterminer directement la température du point chaud à l'aide d'un thermocouple ou déduire la température moyenne des enroulements en mesurant leur augmentation de résistance .

Finalement, nous avons étudié l'impact de la tension nominale, de la puissance nominale et de la vitesse nominale d'une machine, sur sa grosseur et son rendement. Retenons que : (1) la tension nominale d'une machine n'affecte pas ses dimensions ni son rendement, (2) à vitesse constante, le rendement d'une machine augmente rapidement avec sa puissance nominale et (3) à puissance constante, une machine est d'autant plus grosse que sa vitesse de rotation est plus basse .

CIRCUITS TRIPHASÉS

Les circuits triphasés sont utilisés pour la production, le transport et la distribution de l'énergie électrique. ainsi que pour l'alimentation des charges importantes_ Nous avons vu qu'il existe deux façons de connecter les branches d'un circuit triphasé : le montage en étoile et le montage en triangle . Il est important de retenir les relations entre les tensions ligne à ligne et les tensions ligne à neutre (montage en étoile), de même que les relations entre les courants de lignes et les courants de branches (montage en triangle) . Retenons aussi la formule S = EI\13 donnant la puissance apparente S d'un circuit triphasé équilibré en fonction de la tension E et du courant I de ligne. Ces relations font toutes intervenir le facteur i3 . Nous avons vu que la résolution d'un circuit triphasé équilibré est simplifiée en ne considérant qu'une seule phase. Nous avons aussi appris comment déterminer la séquence des phases et comment mesurer les puissances active et réactive dans un circuit à trois ou quatre fils .

PUISSANCE ACTIVE, RÉACTIVE ET APPARENTE

Dans ce chapitre nous avons vu que tous les composants d'un circuit ou réseau électrique à courant alternatif peuvent se comporter comme une source ou une charge, active ou réactive . Nous avons appris comment connecter un wattmètre et un varmètre pour mesurer respectivement la puissance active et la puissance réactive . Lefacteur de puissance d'un circuit est un nombre inférieur ou égal à 1 définissant le rapport entre la puissance active et la puissance apparente . On a vu qu'un condensateur, qui est une source de puissance réactive, permet d'améliorer le facteur de puissance, et donc de réduire le courant d'un circuit qui consomme de la puissance réactive (ex. : circuit inductif, moteur) . On a vu qu'il est possible de résoudre un circuit en faisant simplement le bilan des puissances active et réactive . Cette méthode permet de résoudre des circuits à c .a . sans faire appel au calcul vectoriel . Nous avons aussi donné les formules permettant de calculer les circulations de puissance active et réactive entre deux sources reliées par une réactance inductive . On a constaté qu'il est possible de simuler un condensateur ou une inductance simplement en agissant sur l'amplitude et la phase de l'une des deux sources .
Enfin, on a vu comment utiliser le calcul vectoriel pour calculer les puissances à partir des vecteurs de tension et de courant . La puissance apparente est elle-même un vecteur qui, exprimé sous forme rectangulaire, donne la puissance active et réactive .





Puissance Active, réactive Et Apparente