Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes
-
Upload
christophe-palermo -
Category
Travel
-
view
26.143 -
download
8
Transcript of Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes
Les grandeurs électriques et mécaniquesUn peu de vélo ...
Électricité 2 — Électrotechnique
Christophe Palermo
IUT de MontpellierDépartement Mesures Physiques
Web : http://palermo.wordpress.come-mail : [email protected]
Année Universitaire 2010–2011
MONTPELLIER
Plan
1 Puissance électrique
2 Grandeurs mécaniques
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 2 / 8
Plan
1 Puissance électrique
2 Grandeurs mécaniques
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 3 / 8
La puissance électrique
Grandeurs électriques :Tension UCourant IFacteur de puissance en alternatif cosϕ
Puissance électriqueLa puissance électrique est proportionnelle au produit U · I (au facteur depuissance près en alternatif)
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 4 / 8
Plan
1 Puissance électrique
2 Grandeurs mécaniques
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 5 / 8
Notion de couple
On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ?
Appliquons−→F en P, à
−→r de l’axe
Le disque tourne autour de l’axe
Un couple (moment) est appliqué au
disque
Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation :
Moment avec−→r ⊥ −→F
CoupleLors de la rotation autour d’un axe fixe, le couple T est le produit de la
distance r à l’axe par l’intensité de la force agissante F :
T = rF
S’exprime en N.m
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6 / 8
Notion de couple
On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ?
Appliquons−→F en P, à
−→r de l’axe
Le disque tourne autour de l’axe
Un couple (moment) est appliqué au
disque
Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation :
Moment avec−→r ⊥ −→F
r
F
P O
CoupleLors de la rotation autour d’un axe fixe, le couple T est le produit de la
distance r à l’axe par l’intensité de la force agissante F :
T = rF
S’exprime en N.m
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6 / 8
Notion de couple
On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ?
Appliquons−→F en P, à
−→r de l’axe
Le disque tourne autour de l’axe
Un couple (moment) est appliqué au
disque
Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation :
Moment avec−→r ⊥ −→F
r
F
P O
CoupleLors de la rotation autour d’un axe fixe, le couple T est le produit de la
distance r à l’axe par l’intensité de la force agissante F :
T = rF
S’exprime en N.m
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6 / 8
Notion de couple
On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ?
Appliquons−→F en P, à
−→r de l’axe
Le disque tourne autour de l’axe
Un couple (moment) est appliqué au
disque
Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation :
Moment avec−→r ⊥ −→F
r
F
P O
CoupleLors de la rotation autour d’un axe fixe, le couple T est le produit de la
distance r à l’axe par l’intensité de la force agissante F :
T = rF
S’exprime en N.m
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6 / 8
La puissance mécanique est donnée par le couple multiplié par lavitesse angulaire :
P = TΩ
Couple :Force × distanceSe ressent dans les jambes du cyclisteEst déployé par la roue sur le sol =⇒ création d’une force
Transmission : puissance aux pédales = puissance dans la roue
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 7 / 8
Augmenter la puissance
Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance2 solutions :
Grand plateau – petit pignon
Pour le cycliste :Grand couple, petite vitesse angulaire
5ème
Petit plateau – grand pignon
Pour le cycliste :Petit couple, grande vitesse angulaire
1ère
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 8 / 8
Augmenter la puissance
Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance2 solutions :
Grand plateau – petit pignon
Pour le cycliste :Grand couple, petite vitesse angulaire
5ème
Petit plateau – grand pignon
Pour le cycliste :Petit couple, grande vitesse angulaire
1ère
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 8 / 8
Augmenter la puissance
Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance2 solutions :
Grand plateau – petit pignon
Pour le cycliste :Grand couple, petite vitesse angulaire
5ème
Petit plateau – grand pignon
Pour le cycliste :Petit couple, grande vitesse angulaire
1ère
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 8 / 8
Les machines électriquesÉlectricité 2 — Électrotechnique
Christophe Palermo
IUT de MontpellierDépartement Mesures Physiques
&Institut d’Electronique du Sud
Université Montpellier 2Web : http://palermo.wordpress.com
e-mail : [email protected]
Année Universitaire 2010–2011
MONTPELLIER
Plan
1 Les machines électriques tournantes
Présentation
Principe de fonctionnement
2 Description d’une machine électrique tournante
Point de vue mécanique
Point de vue électrique
3 Le parc de machines électriques
Exemple de la traction
Robustesse des moteurs
4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques
Le choix d’un moteur
Grandeurs physiques et performances
5 Le véhicule hybride
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 2 / 29
Les machines électriques tournantes
Plan
1 Les machines électriques tournantes
Présentation
Principe de fonctionnement
2 Description d’une machine électrique tournante
Point de vue mécanique
Point de vue électrique
3 Le parc de machines électriques
Exemple de la traction
Robustesse des moteurs
4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques
Le choix d’un moteur
Grandeurs physiques et performances
5 Le véhicule hybride
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 3 / 29
Les machines électriques tournantes Présentation
Définition
Dispositif électro-mécanique
Énergie électrique −→ Énergie mécanique
Moteur
Énergie mécanique −→ Énergie électrique
Génératrice
Une seule et même machine : conversion dans les deux sens
RéversibilitéLes machines électriques tournantes peuvent fonctionner en moteurs eten génératrices : elles sont dites réversibles.
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 4 / 29
Les machines électriques tournantes Présentation
Types de machines électriques tournantes
Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :
du courant continu
Machine à courant continu
Moteur à courant continuDynamo (génératrice à courant continu)
du courant alternatif, monophasé ou triphasé
Machine synchrone
Moteur synchroneAlternateur synchrone
Machine asynchrone
Moteur asynchroneGénératrice hypersynchrone
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 5 / 29
Les machines électriques tournantes Présentation
Types de machines électriques tournantes
Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :
du courant continu
Machine à courant continu
Moteur à courant continuDynamo (génératrice à courant continu)
du courant alternatif, monophasé ou triphasé
Machine synchrone
Moteur synchroneAlternateur synchrone
Machine asynchrone
Moteur asynchroneGénératrice hypersynchrone
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 5 / 29
Les machines électriques tournantes Présentation
Types de machines électriques tournantes
Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :
du courant continu
Machine à courant continu
Moteur à courant continuDynamo (génératrice à courant continu)
du courant alternatif, monophasé ou triphasé
Machine synchrone
Moteur synchroneAlternateur synchrone
Machine asynchrone
Moteur asynchroneGénératrice hypersynchrone
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 5 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
Les lois de l’électromagnétisme
Les machines électriques tournantes fonctionnent grâce à :
La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)
La loi de Laplace
La loi de Faraday
La loi de Lenz
PAS DE PANIQUE !Dans ce cours : pas de calcul de champs magnétiques =⇒ Phénomènesphysiques et leurs conséquences
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 6 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
Les lois de l’électromagnétisme
Les machines électriques tournantes fonctionnent grâce à :
La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)
La loi de Laplace
La loi de Faraday
La loi de Lenz
PAS DE PANIQUE !Dans ce cours : pas de calcul de champs magnétiques =⇒ Phénomènesphysiques et leurs conséquences
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 6 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)
ÉnoncéCourant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique
−→B
En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r2)
Courant et champ de même natureCourant continu =⇒
−→B continu
Courant alternatif =⇒−→B alternatif
UtilitéOn peut créer des champs magnétiques avec du courant
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 7 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)
ÉnoncéCourant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique
−→B
En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r2)
Courant et champ de même natureCourant continu =⇒
−→B continu
Courant alternatif =⇒−→B alternatif
UtilitéOn peut créer des champs magnétiques avec du courant
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 7 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)
ÉnoncéCourant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique
−→B
En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r2)
Courant et champ de même natureCourant continu =⇒
−→B continu
Courant alternatif =⇒−→B alternatif
UtilitéOn peut créer des champs magnétiques avec du courant
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 7 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi de Laplace
ÉnoncéUn conducteur parcouru par un courant
et plongé dans un champ
magnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace
Conducteur libre −→ mouvement
Technologie −→ contrôle du mouvement
UtilitéOn peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi de Laplace
ÉnoncéUn conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ
magnétique
subit une force mécanique appelée force de Laplace
Conducteur libre −→ mouvement
Technologie −→ contrôle du mouvement
UtilitéOn peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi de Laplace
ÉnoncéUn conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ
magnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace
Conducteur libre −→ mouvement
Technologie −→ contrôle du mouvement
UtilitéOn peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi de Laplace
ÉnoncéUn conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ
magnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace
Conducteur libre −→ mouvement
Technologie −→ contrôle du mouvement
UtilitéOn peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi de Faraday
ÉnoncéLa force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ
magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ.
Qu’est-ce que cela veut dire ?
e = −dφdt =⇒
−→B variable induit e variable−→B continu n’induit pas de f.é.m
Circuit fermé =⇒ naissance d’un courant
UtilitéOn peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide
d’un champ magnétique variable
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi de Faraday
ÉnoncéLa force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ
magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ.
e = −dφdt =⇒
−→B variable induit e variable−→B continu n’induit pas de f.é.m
Circuit fermé =⇒ naissance d’un courant
UtilitéOn peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide
d’un champ magnétique variable
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi de Faraday
ÉnoncéLa force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ
magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ.
e = −dφdt =⇒
−→B variable induit e variable−→B continu n’induit pas de f.é.m
Circuit fermé =⇒ naissance d’un courant
UtilitéOn peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide
d’un champ magnétique variable
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
La loi de Faraday
ÉnoncéLa force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ
magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ.
e = −dφdt =⇒
−→B variable induit e variable−→B continu n’induit pas de f.é.m
Circuit fermé =⇒ naissance d’un courant
UtilitéOn peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide
d’un champ magnétique variable
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
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
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 10 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
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
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 10 / 29
Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement
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
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 10 / 29
Description d’une machine électrique tournante
Plan
1 Les machines électriques tournantes
Présentation
Principe de fonctionnement
2 Description d’une machine électrique tournante
Point de vue mécanique
Point de vue électrique
3 Le parc de machines électriques
Exemple de la traction
Robustesse des moteurs
4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques
Le choix d’un moteur
Grandeurs physiques et performances
5 Le véhicule hybride
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 11 / 29
Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique
Éléments mécaniques
stator
rotor
entrefer
arbre de transmission
Stator : partie fixe, statique
Rotor : élément entrant en rotation
Le rotor est lié à l’arbre de transmissionStator et rotor séparés par l’entrefer
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 12 / 29
Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique
Éléments électriques
Deux circuits électriques, portés par le rotor et le stator :
L’inducteur :
Créé le champ magnétique
Permet le transfert d’énergie rotor ⇐⇒ stator
Courant i
L’induit :
Siège de l’induction électromagnétique
Expression des phénomènes physiques
Création des nouvelles grandeurs (couple ou f.é.m + courant)
Courant I
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 13 / 29
Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique
Éléments électriques
Deux circuits électriques, portés par le rotor et le stator :
L’inducteur :
Créé le champ magnétique
Permet le transfert d’énergie rotor ⇐⇒ stator
Courant i
L’induit :
Siège de l’induction électromagnétique
Expression des phénomènes physiques
Création des nouvelles grandeurs (couple ou f.é.m + courant)
Courant I
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 13 / 29
Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique
Rôles des éléments
Les rôles dépendent de la machineSelon la machine :
stator = inducteur ou induit !
rotor = inducteur ou induit !
Pour une machine donnée :
inducteur du moteur = inducteur de la génératrice
induit du moteur = induit de la génératrice
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 14 / 29
Le parc de machines électriques
Plan
1 Les machines électriques tournantes
Présentation
Principe de fonctionnement
2 Description d’une machine électrique tournante
Point de vue mécanique
Point de vue électrique
3 Le parc de machines électriques
Exemple de la traction
Robustesse des moteurs
4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques
Le choix d’un moteur
Grandeurs physiques et performances
5 Le véhicule hybride
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 15 / 29
Le parc de machines électriques Exemple de la traction
Trains
3 types de machines utilisées :
Machine à courant continu
Machine synchrone Rotor tourne à la même vitesse que le champ inducteur
Machine asynchrone Vitesse du rotor = vitesse du champ inducteur
ChoixDépend des progrès techniques
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 16 / 29
Le parc de machines électriques Exemple de la traction
Les différents moteurs
Compromis : coût et difficulté de la commande
coût
de fa
bric
atio
net
d'e
ntre
tien
difficultéde la com
mande
Moteur à courant continu Moteur
synchroneMoteur
asynchrone
Tension et courantconnexion directe possible
TGV Sud-Est (orange), trains corails, etc.
Fréquence et courantToyota Prius
TGV AtlantiqueGrandes machines industrielles
FréquenceTGV TMST (Eurostar)
VentilateursLave-linge
Même chose dans d’autres domaines
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 17 / 29
Le parc de machines électriques Exemple de la traction
Les différents moteurs
Compromis : coût et difficulté de la commande
coût
de fa
bric
atio
net
d'e
ntre
tien
difficultéde la com
mande
Moteur à courant continu Moteur
synchroneMoteur
asynchrone
Tension et courantconnexion directe possible
TGV Sud-Est (orange), trains corails, etc.
Fréquence et courantToyota Prius
TGV AtlantiqueGrandes machines industrielles
FréquenceTGV TMST (Eurostar)
VentilateursLave-linge
Même chose dans d’autres domaines
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 17 / 29
Le parc de machines électriques Robustesse des moteurs
Robustesse
Question pertinenteQuelle est l’utilité d’apprendre le fonctionnement d’une autre machine que
la machine asynchrone ?
1 Machines robustes
Solides et fiables
Durent dans le temps
Présentes longtemps dans le parc
2 Certains moteurs ne sont pas adaptés à certaines applications :
Absurde d’utiliser un moteur synchrone dans un aspirateur
Absurde d’utiliser une machine asynchrone comme alternateur
d’automobile
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 18 / 29
Le parc de machines électriques Robustesse des moteurs
Robustesse
Question pertinenteQuelle est l’utilité d’apprendre le fonctionnement d’une autre machine que
la machine asynchrone ?
1 Machines robustes
Solides et fiables
Durent dans le temps
Présentes longtemps dans le parc
2 Certains moteurs ne sont pas adaptés à certaines applications :
Absurde d’utiliser un moteur synchrone dans un aspirateur
Absurde d’utiliser une machine asynchrone comme alternateur
d’automobile
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 18 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques
Plan
1 Les machines électriques tournantes
Présentation
Principe de fonctionnement
2 Description d’une machine électrique tournante
Point de vue mécanique
Point de vue électrique
3 Le parc de machines électriques
Exemple de la traction
Robustesse des moteurs
4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques
Le choix d’un moteur
Grandeurs physiques et performances
5 Le véhicule hybride
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 19 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur
Le choix d’un moteur
Utilisation sédentaire :
Bâtiments alimentés en électricité ;
Moteur thermique : faire le plein !
Choix du moteur électrique évident
Utilisation embarquée (automobile) :
Stockage de l’énergie = problème ;
Recharge plus lente que le plein de carburant ;
Choix du moteur thermique plus simple
Train : cas particulierCaténaire
Pas de stockage
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 20 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur
Intérêt de l’électrique pour les automobiles
Moteur électrique : grands intérêts pour l’automobile
Rendements élevés
Énergie “propre”
Qualités mécanique :
Fonctionnement basse vitesse
Couple important (reprise)
Indépendance énergétique
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 21 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
Le rendement η
: Electrique 1 — Thermique 0
Cas d’un moteur de véhicule :
Meilleurs moteurs diesel : moins de 50 % (typiquement 30 – 40 %)
Meilleurs moteurs essence : moins de 30 % (typiquement 25 %)
Moteurs électriques : plus de 90 % (toute technologie confondue)
Avantage à l’électriqueLe rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du
moteur thermique
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 22 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
Le rendement η : Electrique 1 — Thermique 0
Cas d’un moteur de véhicule :
Meilleurs moteurs diesel : moins de 50 % (typiquement 30 – 40 %)
Meilleurs moteurs essence : moins de 30 % (typiquement 25 %)
Moteurs électriques : plus de 90 % (toute technologie confondue)
Avantage à l’électriqueLe rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du
moteur thermique
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 22 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La densité d’énergie
: Electrique 1 — Thermique 1
QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
accumulateur d’un litre ?
1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
par un lave-linge pendant trois heures
par un ordinateur pendant une journée
par une ampoule classique pendant une semaine
par une ampoule économique pendant un mois
Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1
QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
accumulateur d’un litre ?
1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
par un lave-linge pendant trois heures
par un ordinateur pendant une journée
par une ampoule classique pendant une semaine
par une ampoule économique pendant un mois
Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1
QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
accumulateur d’un litre ?
1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
par un lave-linge pendant trois heures
par un ordinateur pendant une journée
par une ampoule classique pendant une semaine
par une ampoule économique pendant un mois
Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1
QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
accumulateur d’un litre ?
1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
par un lave-linge pendant trois heures
par un ordinateur pendant une journée
par une ampoule classique pendant une semaine
par une ampoule économique pendant un mois
Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1
QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
accumulateur d’un litre ?
1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
par un lave-linge pendant trois heures
par un ordinateur pendant une journée
par une ampoule classique pendant une semaine
par une ampoule économique pendant un mois
Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1
QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
accumulateur d’un litre ?
1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
par un lave-linge pendant trois heures
par un ordinateur pendant une journée
par une ampoule classique pendant une semaine
par une ampoule économique pendant un mois
Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1
QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
accumulateur d’un litre ?
1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
par un lave-linge pendant trois heures
par un ordinateur pendant une journée
par une ampoule classique pendant une semaine
par une ampoule économique pendant un mois
Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1
QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
accumulateur d’un litre ?
1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
par un lave-linge pendant trois heures
par un ordinateur pendant une journée
par une ampoule classique pendant une semaine
par une ampoule économique pendant un mois
Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1
QuestionQuelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
accumulateur d’un litre ?
1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
par un lave-linge pendant trois heures
par un ordinateur pendant une journée
par une ampoule classique pendant une semaine
par une ampoule économique pendant un mois
Avantage au thermiqueLes batteries prennent beaucoup de place
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
Le couple moteur
: Electrique 2 — Thermique 1
Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W)
Couple moteur thermique :
∼ 100 Nm
déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max)
Couple moteur électrique :
∼ 400 Nm
Déployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle)
Avantage à l’électriqueLe moteur électrique déploie des couples plus élevés à faible vitesse
=⇒ idéal pour le démarrage (ville)
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 24 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
Le couple moteur
: Electrique 2 — Thermique 1
Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W)
Couple moteur thermique :
∼ 100 Nm
déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max)
Couple moteur électrique :
∼ 400 Nm
Déployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle)
Avantage à l’électriqueLe moteur électrique déploie des couples plus élevés à faible vitesse
=⇒ idéal pour le démarrage (ville)
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 24 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
Le couple moteur : Electrique 2 — Thermique 1
Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W)
Couple moteur thermique :
∼ 100 Nm
déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max)
Couple moteur électrique :
∼ 400 Nm
Déployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle)
Avantage à l’électriqueLe moteur électrique déploie des couples plus élevés à faible vitesse
=⇒ idéal pour le démarrage (ville)
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 24 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La réversibilité
: Electrique 3 — Thermique 1
Grande force de la machine électrique
Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice
Véhicule en descente
Ralentissement
Mouvement −→ puissance électrique
Ralentissement
Recharge de batterie
Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)
Freinage par récupération
C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La réversibilité
: Electrique 3 — Thermique 1
Grande force de la machine électrique
Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice
Véhicule en descente
Ralentissement
Mouvement −→ puissance électrique
Ralentissement
Recharge de batterie
Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)
Freinage par récupération
C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La réversibilité
: Electrique 3 — Thermique 1
Grande force de la machine électrique
Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice
Véhicule en descente
Ralentissement
Mouvement −→ puissance électrique
Ralentissement
Recharge de batterie
Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)
Freinage par récupération
C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La réversibilité
: Electrique 3 — Thermique 1
Grande force de la machine électrique
Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice
Véhicule en descente
Ralentissement
Mouvement −→ puissance électrique
Ralentissement
Recharge de batterie
Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)
Freinage par récupération
C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
La réversibilité : Electrique 3 — Thermique 1
Grande force de la machine électrique
Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice
Véhicule en descente
Ralentissement
Mouvement −→ puissance électrique
Ralentissement
Recharge de batterie
Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)
Freinage par récupération
C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances
Le prix : Electrique 4 — Thermique 1
Prix de l’énergie :
1,45 euros pour 1 L de SP95 = 14,5 centimes par kWh
Électricité (nucléaire) : en moyenne 11,5 centimes par kWh
En plus : rendements très différents !
L’énergie électrique est moins chère
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 26 / 29
Le véhicule hybride
Plan
1 Les machines électriques tournantes
Présentation
Principe de fonctionnement
2 Description d’une machine électrique tournante
Point de vue mécanique
Point de vue électrique
3 Le parc de machines électriques
Exemple de la traction
Robustesse des moteurs
4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques
Le choix d’un moteur
Grandeurs physiques et performances
5 Le véhicule hybride
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 27 / 29
Le véhicule hybride
Concilier les avantages
Le problème du stockage est rédhibitoire
Le problème de la recharge aussi
MAIS la machine électrique a de très grands intérêts
SolutionUtiliser les deux en même temps
Alternateurs très rentables (presque 100 %) =⇒ cela est donc possible !
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 28 / 29
Le véhicule hybride
Fiche technique
Moteur ThermiqueType Essence – 1,5 L – 16 soupapes
Cylindrée 1497 cm3
Puissance maximale 77 ch (57 kW) à 5000 tr/min
Puissance fiscale 4 CV
Couple maximal 115 Nm à 4000 tr/min
Consommation (mixte) 4,3 L/100 km
Moteur ÉlectriqueType Synchrone, à aimant permanent
Puissance maximale 68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mn
Tension nominale 500 V
Couple maximal 400 de 0 à 1200 tr/mn
Fiche technique d’une Toyota Prius Linea Sol
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 29 / 29
Le véhicule hybride
Fiche technique
Moteur ThermiqueType Essence – 1,5 L – 16 soupapes
Cylindrée 1497 cm3
Puissance maximale 77 ch (57 kW) à 5000 tr/min sous-dimensionnéPuissance fiscale 4 CV
Couple maximal 115 Nm à 4000 tr/min vitesse élevéeConsommation (mixte) 4,3 L/100 km faible
Moteur ÉlectriqueType Synchrone, à aimant permanent
Puissance maximale 68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mn plageTension nominale 500 V
Couple maximal 400 de 0 à 1200 tr/mn vitesse nulleFiche technique d’une Toyota Prius Linea Sol
IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 29 / 29