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8/12/2019 convertisseur

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Conversion d'énergie 1

CHAPITRE 4

Principes de la conversiond’énergie

Gérard-André CAPOLINO




Machines tournantes

Construction de base

Les principales parties d’une machine

tournante sont:

• Corps de la machine:

– deux flasques supportant les

roulements à billes – une pièce centrale supportant

le stator

• Stator: fer feuilleté et circulaire avec

des encoches

• Enroulement statorique: bobinesplacées dans des encoches

• Rotor, fer feuilleté, enroulement oucage, arbre, roulements à billes

• Des machines ont des pôles sur le

stator ou le rotor

• Machine à induction

Rotor

Corps du

stator

Bobinage

stator




Machines tournantes

Classification de base des machines électriques

• Machine à induction (asynchrone)

– utilisée essentiellement en moteur (monophasé et triphasé)

– vitesse dépendant de la charge

• Machine synchrone

– utilisée essentiellement en générateur (alternateur)

– génère la puissance sur le réseau électrique

– fonctionne à vitesse constante

• Machine à courant continu

– utilisée en moteur ou en générateur

– vitesse variable

– technologie de moins en moins utilisée (coût, maintenance)




Conversion d’énergieConcept:

• Les générateurs convertissent l’énergie mécanique en énergieélectrique

• Les moteurs convertissent l’énergie électrique en énegie mécanique

• La construction des moteurs et des générateurs est équivalente. Ungénérateur peut fonctionner comme un moteur et vice versa

• L’équilibre des puissances s’exprime par:Générateur: puissance mécanique = puissance électrique +pertesMoteur: puissance électrique = puissance mécanique + pertes




Conversion d’énergieConcept:

• Equation de l’équilibre des puissances:

V I cos φ = T ωm + pertes électriques + pertes mécaniques

où: ωm = 2 π n/60 est la vitesse angulaire en rad/sec

n = vitesse de rotation en tr/min

T = couple en N*m

– pertes électriques = pertes fer et pertes cuivre ou aluminium – pertes mécaniques = frottement, ventilation




Conversion d’énergie

Conversion d’énergie:(générateur) mécanique versélectrique

• Le champ magnétique estgénéré par un aimant ou un

bobinage parcouru par uncourant continu.

• Un bobinage circulaire tournedans ce champ magnétique.

• Le flux dans la bobine changeavec la rotation.

• Cette variation de flux induit unetension dans la bobine.

Concept générateur

N S

BobineAimant

Champmagnétique

Aimant




Conversion d’énergieFlux maximum

Φ = B (D L) α = 0°Nr= nombre de spires B =induction

Flux réduit

Φ = B (D L) cos αD = diamètre de spire L = longueur

N SN

S

α

B B





Flux nulΦΦΦΦ = 0 α = 90°

N

S

Conversion d’énergie: (générateur)

mécanique vers électriqueLe module du flux vaut:

λ = ΦΝλ = ΦΝλ = ΦΝλ = ΦΝ r = B Nr D L cos αααα

• La spire tourne à une vitesse

angulaire ωωωω

• L’angle α varie avec le temps αααα = ωωωω t

• La tension induite est:

E(t) = dλλλλ / dt = - B D Nr L ωωωω sin ωωωω t

• Si le flux vaut Φ =Φ =Φ =Φ = B D L, la valeurefficace de la tension induite vaut:

B

r

r Nf44.42

NE ΦΦΦΦ====

ΦΦΦΦωω====




Conversion d’énergieConversion d’énergie: (générateur) mécanique vers électrique

• Si une résistance est connectée aux bornes de la spire tournante, latension induite génère un courant alternatif dans la spire. Sa valeurefficace est:Iac = E / R

• Si les pertes sont négligées, la puissance électrique et la puissancemécanique sont identiques:

Pm = E Iac = Iac2 R = E2 / R = ωωωω Tm = Tm 2 ππππ n / 60

• Le couple nécessaire est tiré de l’équation précédente:

Tm = Iac E / ωωωω où : ω =ω =ω =ω = 2 ππππ n / 60




Conversion d’énergie: (générateur) mécanique vers électrique

• Le champ magnétique vaut: H = B / µµµµo

• Le champ magnétique peut être généré par des aimants permanents

ou par des bobines à N p spires. La bobine est fixe sur chaque pôle etalimentée par un courant continu.

• Le courant nécessaire peut être calculé par le théorème d’Ampere. Le

trajet dans le fer est négligé, on ne tient compte que de l’air.

H (2. e) = Idc 2 N p Idc = (2 .e) H / 2 N p






Conversion d’énergie : (générateur)

mécanique vers électrique

Exemple numérique:

• Le générateur de la figure a un

bobinage Nr = 100 spires sur le

rotor• L’entrefer est e = 0.2 cm. Le

diamètre du rotor est D = 50 cm etsa longueur est L = 1 m

• Le rotor tourne à la vitesse de 3000tr/min

• Le stator a deux pôles avec

Np spires et une induction B = 1.5 T

Générateur élémentaire

N S

Bobine, N=100Pôle nord, Np = 300

Pôle sud, Np = 300STATOR

ROTOR

Entrefer

D





Conversion d’énergie:

Exemple numérique:

• Le bobinage rotor est chargé par

une résistance de 90 Ω.

Calculer

a) le flux et le champ magnétique

b) la puissance mécanique et lecouple

c) le courant continu équivalentnécessaire au stator pour avoir uneinduction B = 1.5 T

Générateur élémentaire

N S

Bobine, N=100Pôle nord, Np = 300

Pôle sud, Np = 300STATOR

ROTOR

Entrefer






Exemple numérique:

• Flux et champ magnétique

φ = B D L = 1.5 T∗ 0.5 m∗ 1m = 0.75 Wb

H = B / µ0 = 1.5 T / 4 π 10-7 H/m = 1.19 10 6 A/m

• Tension induite dans le bobinage rotor, fréquence et valeur efficace

f = n/60 = 3000/ 60 = 50 Hz

E = 4.44 f Nr φ =

4.44∗

50 ∗100 ∗ 0.75=16.65kV

• Courant de charge

Is = E / R = 16.65 kV / 90 Ω = 185 A






Exemple numérique:

• Puissance et couple

P = E I = 16.65k V ∗ 185A = 3.08MW

ω = 2π n / 60 = 2π 3000 / 60 = 314rd/sec

T = P / ω = 3.08MW/ 314rd/sec = 9800 N∗m

• Courant nécessaire au stator

Idc = H 2*e / Np = (1.19 10 6 Amp/m∗2 ∗ 0.002m) / (2∗300) = 7.93 A




Conversion d’énergieConversion d’énergie : (moteur)

électrique vers mécanique

• Le champ magnétique estgénéré par un aimantpermanent ou une bobinealimentée par un courantcontinu.

• Une autre bobine est alimentéepar un courant alternatif.

• L’interaction entre le flux et lecourant produit une force desdeux côtés de la bobine rotor.

• Les deux forces produisent uncouple T = F.D qui permet aurotor de tourner jusqu’àalignement dans le champ.

Génération de force

N

S

α

F

F

B

I+

I-





Conversion d’énergie : (moteur)


• Quand le champ magnétique du rotorest aligné avec le pôle, le couple est

nul. C’est le point neutre.

• Si le rotor tourne déjà, l’inertiel’entraîne au delà de cette ligneneutre.

• Si la rotation est synchrone ducourant alternatif, la direction ducourant alternatif change à la ligneneutre.

• Le changement de direction du

courant change le sens ducouple qui mainteint la rotation.

N S

B

I+

I-





Conversion d’énergie : (moteur)


• La vitesse du rotor est déterminéepar la fréquence de la tension

d’alimentation.

• Ce moteur ne peut pas démarrer,mais il continue à tourner à vitesseconstante après synchronisation.

• La force de chaque côté de la bobinerotor est:

F = B L (i Nr)

• Le couple est:

T= F D = B L D Nr i = φ Ν r i

• La tension induite est:

v = N r (d φ /dt) = N r φ ω sin (ωt).

• En substituant la tension dansl’équation du couple, il vient:

T = (v i) / ω = P / ω

• Chaque moteur peut fonctionner engénérateur et vice versa.

• Les équations en générateurpeuvent être utilisées en moteur.

• Ce moteur élémentaire explique leconcept de conversion d’énergie.

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