Chapitre I : Introduction à la conversion électromécanique
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Chapitre I : Introduction à la conversion électromécanique

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Cours Machines Electrique.

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Chapitre I : Introduction à la conversion électromécanique Presentation Transcript

  • 1. Généralités Conversion Electromécanique q & Machines Electriques q2010-2011 Mohamed Elleuch 1
  • 2. Différents types dénergie /éolienne2010-2011 Mohamed Elleuch 2
  • 3. Conversion électromécaniqueL’électricité représente une forme intermédiaired’énergie très intéressante par: sa facilité de transport et de distribution, ceci aussi bien à l’échelle d’un continent qu’àl’intérieur des appareils. Elle est produite essentiellement dans des centrales,par une conversion mécanique électrique au moyend’alternateurs. 2010-2011 Mohamed Elleuch 3
  • 4. conversion électromécaniqueL énergieL’énergie mécanique provient: des turbines hydrauliques ou d’éoliennes, elles d’éoliennes elles-mêmes entraînées par des chutes d’eau ou par le vent(énergies mécaniques) mécaniques). des turbines à vapeur ou à gaz l’énergie thermique gaz, l énergieétant produite à partir: d’énergie chimique (combustion de fuel, de gaz, de bois ou de déchets ménagers) ou d énergie d’énergie nucléaire (fission d’uranium) d uranium). 2010-2011 Mohamed Elleuch 4
  • 5. Diagramme du ‘parcours’ de l’énergie électrique avec machines électriques associées q q Energie Primaire Génération Transport & Utilisation de l’énergie g Distribution électrique •nucléaire •Thermique G, MT/HT/MT/ ACChaîne de •éolienne MT BT DCtransmission de •Hydrauliquel’énergie é ect que é e g e électrique •…… •Machines Alternateurs • Transformateurs * Moteursélectriques * Autres A tassociées + Lignes, Protections, Gestion 2010-2011 Mohamed Elleuch 5
  • 6. Réseau de production et de transport Tunisien (2006)2010-2011 Mohamed Elleuch 6
  • 7. 2010-2011 Mohamed Elleuch 7
  • 8. Centrale éolienne Sidi-Daoud2010-2011 Mohamed Elleuch 8
  • 9. Centrales thermoélectriques à énergie fossile Centrale de Korneuburg C t l d K b (Autriche), 270 MWCentrale thermoélectrique à Fuel ou à gazCes centrales convertissent par combustion l’énergie le rendement de ceschimique (Fuel) en énergie thermique, qui est ensuite centrales ne dépasse guèreconvertie en énergie mécanique et finalement en mécanique, 40% environénergie électrique. 2010-2011 Mohamed Elleuch 9
  • 10. Conversion électromécanique: Besoin?Fort besoin énergie mécanique:50 % à 80% consommation industrielle: Moteurs électriques 30% compression, 20% pompage, 13% ventilation, usinage, broyage, laminage , g , y g , g Conversion Électromécanique Problème: Éloignement producteur / consommateur !!! 2010-2011 Mohamed Elleuch 10
  • 11. ELECTRICITE: De la centrale aux clientsL’électricité est distribuée à l’échelle continentale par un réseau extrêmement dense: de lignes aériennes et de câbles souterrains jusque vers les consommateurs. 2010-2011 Mohamed Elleuch 11
  • 12. classification Transformateurs : Ils permettent de modifier les grandeurs électriques d’entrée (tensions, courants, fréquences).courants fréquences)Exemples :  •Convertisseurs de fréquences. q •Transformateurs de tension et de courant. Génératrices : ce sont des machines qui ce sont des machines qui transforment l’énergie mécanique en énergie électrique.  oExemples : dynamos‐alternateurs Moteurs : ils transforment l’énergie électrique en énergie mécanique.Exemples :Les moteurs synchrones et asynchrones 2010-2011 Mohamed Elleuch 12
  • 13. TransformateursMT BT MT HT( 30 kV); (400V) 5 kV 225 kVAbaisseur de tension Elévateur de la tension 132010-2011 Mohamed Elleuch
  • 14. Ordre de Grandeur2010-2011 Mohamed Elleuch 14
  • 15. Panorama des Moteurs AC Moteurs à courant alternatif Moteur Moteur y Asynchrone y Synchrone Monophasé Triphasé Monophasé ou Triphasé à bague à bague de à à cage (Rotor déphasage condensateur bobiné))2010-2011 Mohamed Elleuch 15
  • 16. AC MOTORS CLASSIFICATION2010-2011 Mohamed Elleuch 16
  • 17. Panorama des Moteurs DC Moteur à courant continu Excitation Excitation à aimant Sh t Shunt C d Counpound parallèle série permanent2010-2011 Mohamed Elleuch 17
  • 18. Autres Moteurs Moteurs à réluctance i bl t t variable et moteurs "hybrides" à courant continu Moteurs "pas sans balais à pas" (appellé aussi autosynchrone) reluctant à aimant à reluctance à aimant à reluctance polarisé permanent t variable i bl permanent t variable i bl (hybride2010-2011 Mohamed Elleuch 18
  • 19. Applications:A li tidu µW µW…..au GW au2010-2011 Mohamed Elleuch 19
  • 20. Electrostatic motor2010-2011 Mohamed Elleuch 20
  • 21. Ultrasonic motors - principles Piezoelectric Pi l ti2010-2011 Mohamed Elleuch 21
  • 22. Applications Les machines électriques q 1985 Navires p p q y qA partir des années 1985, les paquebots sont systématiquement équipés de moteurs de propulsion électriques. Il s’agit généralement de machines synchrones autopilotées d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW. d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW 2010-2011 Mohamed Elleuch 22
  • 23. Applications Les machines électriques A partir des années 1990, les trains à grande vitesse (TGV) de la SNCF sont équipés de moteurs électriques qui sont des machines synchrones autopilotées d’une puissance unitaire de  1,1 MW. il é d’ i i i d 1 1 MW Chaque rame TGV possède 8 moteurs, soit une puissance maximum  Chaque rame TGV possède 8 moteurs, soit une puissance maximumde 8,8 MW. 2010-2011 Mohamed Elleuch 23
  • 24. Applications Les machines électriques q 1995 : Moteurs Asynchrones L’eurostar est lancé à partir des années 1995.  Ces trains sont équipés de moteurs électriques qui sont des machines asynchrones d’une puissance unitaire de  1 MW.  Chaque train « eu osta » possède 12 moteurs, soit une  Cha ue t ai eurostar possède 12 oteu s soit u epuissance maximum de 12,2 MW. 2010-2011 Mohamed Elleuch 24
  • 25. Applications Maglev Train enroulements enroulements enroulements Véhicule de suspension supraconducteurs supraconducteurs Maglev N S N S N Champ glissant U V W U V W U enroulements de propulsion Convertisseur 3~• linear motor• super-express bullet train• synchronous motor - h t• superconducting coils• strong magnetic field• armature winding along railway line• levitated due to strong m f (10 cm above ground) m.f. (Messner Effect) 2010-2011 Mohamed Elleuch 25
  • 26. Tendances Les machines électriques q DC Machines/ AC machines Vers les années 2000 : La machine à courant continu de puissance supérieure à 1 kW disparaît progressivement,  remplacée par des moteurs asynchrones moins chers, plus robustes et de performances supérieures grâce au contrôle vectoriel de flux. de performances supérieures grâce au contrôle vectoriel de flux Les moteurs à courant continu se rencontrent désormais essentiellement dans le monde de l’automobile (ventilateur, lève‐vitres, essuie‐glace, sièges, etc.). i l iè t ) 2010-2011 Mohamed Elleuch 26
  • 27. STEPPER MOTORSAnytime you need accurate repeatable positioning, considerusing a stepping motor motor.2010-2011 Mohamed Elleuch 27
  • 28. Organisation des Machines g Electriques qUn système électromécanique de base est nécessairementconstitué d’au moins: un circuit électrique en matériau bon conducteur (cuivre oualuminium) parcouru par un courant (densité de courant J) d’un circuit magnétique en matériau ferromagnétique perméableparcouru par un flux d’induction magnétique (champ magnétiqueB), les deux circuits sont toujours imbriqués 2010-2011 Mohamed Elleuch 28
  • 29. ConstitutionPour un système a partiemobile, l’élément fixe s’appelle , ppstator tandis que élément mobile qs’appelle rotor et sert àtransmettre les efforts:Moteur/GénérateurEn absence de mouvement, la puissance électrique esttransmise du primaire ausecondaire: Transformateur 2010-2011 Mohamed Elleuch 29
  • 30. Fields in the Machinesrotational, or translational motion2010-2011 Mohamed Elleuch 30
  • 31. circuit magnétique• Il est constitué d’un matériau ferromagnétique très perméable par rapport à l’air l air,• sa fonction est la canalisation du flux magnétique.On trouve généralement deux types de circuits : circuit magnétique feuilleté : constitué d’un empilage de tôles minces, (épaisseur quelques dixièmes de mm). Il est utilisé dans le cas d’un flux alternatif d un alternatif, afin de réduire les pertes par courant de Foucault. Circuit magnétique massif : utilisé dans le cas où le flux magnétique est constant ou lentement variable. 2010-2011 Mohamed Elleuch 31
  • 32. Induction de saturation2010-2011 Mohamed Elleuch 32
  • 33. Rotor/Stator Assemblés2010-2011 Mohamed Elleuch 33
  • 34. unassembled parts p2010-2011 Mohamed Elleuch 34
  • 35. Circuit magnétique: Machine tournante2010-2011 Mohamed Elleuch 35
  • 36. Circuit magnétique: Transformateur2010-2011 Mohamed Elleuch 36
  • 37. 2010-2011 Mohamed Elleuch 37
  • 38. EnroulementsIls servent donc à canaliser le courant électrique. Les L moins résistifs et l plus é i é i tif t les l économiques sont l cuivre et l’aluminium. i t le i t l’ l i i 2010-2011 Mohamed Elleuch 38
  • 39. Bobinages de machines• - basse tension : fils conducteurs émaillés• - haute tension : barres conductrices isolées par du papier papier, mica, verre, bakélite, résine (enrobage, imprégnation) Cuivre émaillé Isolants Cales en bakélite Galette isolée et imprégnée i é é --- Rotor bobiné de moteur --- Transformateur triphasé --- asynchrone ---2010-2011 Mohamed Elleuch 39
  • 40. 2010-2011 Mohamed Elleuch 40
  • 41. synchronous generator for vehicle network applications 5 kVA applications, pp2010-2011 Mohamed Elleuch 41
  • 42. Matériaux isolantsIls doivent présenter les propriétéssuivantes : Bonne rigidité g diélectrique q ;(exprimée en kV/mm). Bonne conductivité thermique ;(exprimée en W/m°c), permettantl’évacuation par conduction de chaleurdue aux pertes. Bonne tenue aux effortsélectromécaniques apparaissant enservice, ou pendant la fabrication. Une endurance thermiqueintéressante permettant la stabilité del’isolant malgré la chaleur. 2010-2011 Mohamed Elleuch 42
  • 43. MATERIAUX selon Conductivitévers 0 K (-273 °C) à température ambiante : 20 °C Cρ 10-8 10-4 1 104 106 108 1012 1016 Supra S Métaux Mét Semi S i Ω.m Ωm conducteu conducte conducteurs Isolants rs urs carbo ne Verre Huiles amor Porcelaine Askarels V Ag phe céramique é i Quart Nb Cu Autre Si Eau Email z Tc Al s Ge pur Mica Thermoplasti métau e Papier P i ques x C pur Thermodurcis sables Elastomères 2010-2011 Mohamed Elleuch 43
  • 44. Propriétés physiques des isolantsLes isolants électriques possèdent tous à peu près les caractéristiques suivantes : mauvaise tenue en température <200°C en général i t t é t 200°C é é l (sauf pour l’amiante, le verre et le mica) rigidité électrique élevée : ≈ 10 kV/mm très forte résistivité électrique : > 106 Ωm constante diélectrique relative εR > 1 (≈ 2 à 8) mauvaise conductivité thermique : isolant thermique Solide, liquide ou gaz , q g densité voisine de 12010-2011 Mohamed Elleuch 44
  • 45. ClassificationPlusieurs méthodes peuvent être adoptées pour classer les isolants :• @ classification en fonction de la tenue en température (La norme NFC 51-111 définit d défi it des classes d’i l t selon l l d’isolant l leur ttenue en ttempérature, qui dé é t i dépend d l d de la matière isolante, mais aussi des matières d’agglomération et d’imprégnation.• @ classification en fonction de l état physique : l’état – solide : mica, bois, céramiques, plastiques ... – liquide : huiles, pyralène, vernis... – gaz : air sec, azote, SF6...• @ classification en fonction de l’origine minérale : mica, porcelaine, verre, amiante,... – organique : bois, papier, coton, soie, caoutchouc (latex),... – synthétique : plastiques (thermoplastiques ou thermodurcissables), silicones : – silicones : molécules dont les atomes de carbone ont été remplacés par du silicium. – thermoplastiques: plastiques ramollis à chaud (il peut alors être moulé formé ou moulé, extrudé), et durci à froid. Le processus est réversible. – thermodurcissables: plastiques durcis par un procédé thermique. Le processus est irréversible. 2010-2011 Mohamed Elleuch 45
  • 46. Classification en fonction de l’état physiqueIsolants solides s 2010-2011 Mohamed Elleuch 46
  • 47. CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE (1) IMPORTANT: Le prix de la machine varie beaucoup selon la classe des isolants utilisés!!!!2010-2011 Mohamed Elleuch 47
  • 48. CLASSIFICATION EN FONCTION DE LA TEMPÉRATURE (2) ( )2010-2011 Mohamed Elleuch 48
  • 49. Typical temperature level settings used on rotating electrical machines 2010-2011 Mohamed Elleuch 49
  • 50. 2010-2011 Mohamed Elleuch 50
  • 51. Convention de signe du coupleConvention : un couple est compté positivement s’il agit dans le sens de rotation. Si Cem dé i désigne l couple él le l électromagnétique d l machine, éi de la hi Cext désigne le couple extérieur agissant sur l’arbre de la machine. machine Pour un moteur : Cem > 0 Pour une génératrice : Cem < 0 En régime permanent on a : Cem + Cext = 0 En régime transitoire :• avec J : moment d’inertie des masses tournantes :• accélération angulaire 2010-2011 Mohamed Elleuch 51
  • 52. operation modes, of electrical machines Torque quadrant II quadrant I Speed quadrant III d t quadrant IV d t2010-2011 Mohamed Elleuch 52
  • 53. Torque-Speed CurvesMotor torque-speed curve Each type of motor has a different To Torque output q p torque-speed curve q p (% of rated) Torque-speed curve of load 250 200 The load also has a 150 Operating torque-speed curve 100 point 50 The two curves 0 500 1 500 2 500 n 1,500 2,500 intersect at the 1,000 2,000 Rev/min operating point 2010-2011 Mohamed Elleuch 53
  • 54. Motor operation and generator mode of operation p2010-2011 Mohamed Elleuch 54
  • 55. Load characteristics Machine tools2010-2011 Mohamed Elleuch 55
  • 56. 2010-2011 Mohamed Elleuch 56
  • 57. 2010-2011 Mohamed Elleuch 57
  • 58. Stationary stability2010-2011 Mohamed Elleuch 58
  • 59. Rotary and translatory quantities, according symbols, equations and units g y q2010-2011 Mohamed Elleuch 59
  • 60. Modes de Fonctionnement des moteurs t• Tout ou Rien• Contrôlé en vitesse• Servomoteur (asservi en position)• Pas Pas P àP2010-2011 Mohamed Elleuch 60
  • 61. Structure d’un entraînement avec asservissement2010-2011 Mohamed Elleuch 61
  • 62. Lois physiques régissant le fonctionnementL étudeL’étude des machines électriques est effectuée : à partir des équations de Maxwell (Etude locale et microscopique) avec le modèle de circuit électrique dit de Khirchoff pour une étude globale (Etude macroscopique)2010-2011 Mohamed Elleuch 62
  • 63. Equations de Maxwell et d’interface ∂D • B(T) induction magnétique ( ) g q• rotH = ∇xH = J + ∂t • Br (T) induction magnétique rémanente (aimants permanents)• divB = ∇ • B = 0 • D (C/m2) induction électrique ∂B rotE = ∇ xE = − • E (V/m) champ électrique ∂t • H (A/m) ( ) champ magnétique p g q divD = ∇ • D = ρ• • J (A/m2) densité de courant • t (s) temps ε (F/ ) (F/m) permittivité itti ité B = μH + Br • µ (H/m) perméabilité ρ (C/m3) charge volumique D = εE σ (S/m) conductivité J = σE2010-2011 Mohamed Elleuch 63
  • 64. Exemple: Analyse localeLignes d’induction autour des d inductionencoches d’une machine tournante Répartition de l’induction dans le circuit magnétique d’un transformateur2010-2011 Mohamed Elleuch 64
  • 65. Modèle de KirchoffLe modèle de Kirchoff consiste à établir le schéma équivalent q de la machine électrique par les circuits électriques, ce qui fournit les grandeurs globales de la machine: Courants, tensions, Flux, On en déduit, les forces, couples, puissances, vitesse, rendement…. rendement induction machine, simplified model 2010-2011 Mohamed Elleuch 65
  • 66. Rappels sur les circuits électriques• Théorème d’Ampère : N : Nombre de spires Force magnétomotrice f F é i f.m.mLe potentiel magnétique UAB = la circulation du vecteur H entre ces deux points. Flux totalisé•Flux à travers une spire :           (Sm : Section)•Flux totalisé par le circuit électrique: q (Se : définit par le circuit électrique C.E) 66 2010-2011 Mohamed Elleuch
  • 67. Réluctance Loi d’Ohm généralisée•Ψ: Flux totalisé par le circuit électrique;•R: résistance électrique du circuit Réluctance / Perméance B Φ 2 H A Tube de flux Φ Φ1=Φ 1 2 I A B UAB = R.  IR: Réluctance magnétiqueP: Perméance UAB 2010-2011 67 Mohamed Elleuch
  • 68. Analogie entre circuit électrique et circuit magnétique A I B Fig.II.9 UAB = R. I R. IExemple: p Calculer f C l l φf / Φ1 par application d l règle d di i li ti de la è l du diviseur d courant! de t!On obtient: notion de dispersionEn absence de saturation importante, Rfuite >> R ce qui donne σ≈ Rfer /Rfuite ≈ 1 e-3.De plus, si Rfuite ≈ constante la dispersion augmente avec la saturation plus constante,(proportionnelle à Rfer) 68 Mohamed Elleuch 2010-2011
  • 69. Analogie entre circuit électrique et circuit magnétique2010-2011 Mohamed Elleuch 69
  • 70. InductanceSi Φ désigne le flux à travers unespire, le flux totalisé parl’enroulement est : Ψ=NΦ• L inductance L’inductance est définie par : 2010-2011 Mohamed Elleuch 70
  • 71. Mutuelle inductance• Mutuelle Inductance• Deux circuits couples magnétiquement créent un fl commun généré par l é t flux é éé les deux courants• Ф21= Flux crée par le courant i1 et embrassé par l circuit 2 b é le i it M M : Mutuelle inductance i1 i2Si les deux enroulements ψ = L1i1 + M i2 1 V1 V2parcourus par des courantson obtient: ψ = M i1 + L2 i2 2 Où: Ψk est le flux totalisé par l’enroulement k; Lk Inductance propre Mohamed Elleuch 71 2010-2011
  • 72. Notion de dispersion magnétique Lσ 1 Flux de fuite L11Le coefficient de couplage des deux primaireenroulements est défini par : L12 Flux commun k= ≤1 L11L22 σ = 1− k 2 ≤ 1 Flux de fuite secondaire M2 σ: Coef. de dispersion σ = 1− L1 L2 de Blondel L22 Lσ 2 Si le flux principal est pratiquement embrassé totalement par les deux enroulements ! C’est le cas des transformateurs, les flux de dispersion n excèdent n’excèdent pas les 0 1 % du flux principal 0.1 principal. Si Lσ1 = Lσ2 = 0 alors k=1 et σ=0 2010-2011 Mohamed Elleuch 72
  • 73. MATÉRIAUX CONDUCTEURSvers 0 K (-273 à température ambiante : 20 ° °C °C) ρ 10-8 10-4 1 104 106 108 1012 1018 1020Ω Supra Métaux Semi Isolants m conducteurs conducteu conducteurs rs carbo caoutchouc ne amorphe Ag Cu Autres Si Eau Verre Quartz Bois Mica polystyrène Al métau Ge pure x Les matériaux supraconducteurs sont des conducteurs qui, en dessous d’une certaine température critique (-148°C pour la plus élevée connue actuellement), ne présentent plus aucune résistance au passage du courant (résistivité électrique nulle). 2010-2011 Mohamed Elleuch 73
  • 74. Propriétés physiquesLes conducteurs électriques sont essentiellement des métaux ou desalliages métalliques.Ils possèdent tous à peu près les caractéristiques suivantes : - faible résistivité électrique : < 10-6 Ωm (≈1 million de milliard fois plus pour les isolants) - bonne conductivité thermique : ≈ 100 W/(m°C) (≈ 500 fois moins pour les isolants) - solide de grande dureté sauf pour le mercure (liquide), le sodium et le plomb - densité élevée : ≈ 10 sauf pour Al : 2,6 et Au, Pt et W : ≈ 20 - influence importante de la température sur : . la résistivité : 40 % en plus pour 100 °C d’élévation . l dil t ti li éi la dilatation linéique : qq. mm/m pour 100 °C d’élé ti / d’élévation2010-2011 Mohamed Elleuch 74
  • 75. Métaux et non métaux usuels2010-2011 Mohamed Elleuch 75
  • 76. Alliages• Fontes : fer (92 %) + 2 à 5 % de carbone p + impuretés• Aciers : fer (97 % min) + 0,05 à 1,5 % de Carbone + traitements thermiques• bronzes : Cu + ≈ 10 % de Sn (étain)• Laitons :Cu + ≈ 50 % de Zinc• Constantan :Cu + Nickel C2010-2011 Mohamed Elleuch 76
  • 77. CARACTERISTIQUES DES METAUX CONDUCTEURS2010-2011 Mohamed Elleuch 77
  • 78. Non linéarité des circuits magnétiques Les matériaux ferromagnétiques tels que le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages, présentent des perméabilités relatives de 100 à 12000 pour de faibles inductions, alors que tous les autres matériaux ont une perméabilité relative proche de lunité. On a donc intérêt à recourir à ces matériaux ferromagnétiques pour la réalisation des circuits magnétiques, donc comme supports des flux. Il s agira sagira en général dalliages de fer pour des raisons économiques d alliages fer, économiques. Seulement, ces matériaux magnétiques présentent deux types de non linéarités de la caractéristique magnétique liant linduction B au champ l induction magnétique H : la saturation; lhystérésis. Outre les difficultés de calcul inhérentes à de telles non linéarités, cesdeux phénomènes limitent les possibilités demploi de ces matériaux d emploi matériaux. 2010-2011 Mohamed Elleuch 78
  • 79. Courbe de magnétisation: tôles de transformateurs (à cristaux orientés)2010-2011 Mohamed Elleuch 79
  • 80. Matériaux magnétiques g q2010-2011 Mohamed Elleuch 80
  • 81. Cycle d’hystérésis L’induction B présente dans un matériau ferromagnétique dépend des états d ét t magnétiques antérieurs : éti té i après une première aimantation « 1-2-3 », le circuit magnétique reste aimanté : induction rémanente BR. Il faut lui appliquer une excitation HC négative pour annuler à nouveau B: HC = excitation coercitive Point 3 P i t 3: saturation magnetization t ti ti ti Point 4: remanence Point 5: coercive field Remarque: L’énergie perdue par hystérésis 81 est proportionnelle à la surface du cycle!2010-2011 Mohamed Elleuch
  • 82. Matériaux durs ou douxmatériaux d té i doux (S ft Magnet) (Soft M t) Matériaux à cycle d’hystérésis étroit pourminimiser les pertes par hystérésis ils sont en hystérésis,général feuilletés et à base de fer (le fer pur aune résistivité trop importante). On distingue essentiellement : - les aciers électriques (au silicium) --> b basses f é fréquences : f = 50 H Hz - les alliages fer nickel ou cobalt --> moyennes fréquences : f < 100 kHz - les ferrites (oxydes de fer) --> hautes fréquences : f < 1000 kHzmatériaux durs (HardMagnet)Dans les aimants permanents, on recherche des valeurs importantesded BR et HC : il f t d t faut donc augmenter la surface du cycle : t l f d l 2010-2011 ---> utilisation cycle d’hystérésis large Mohamed Elleuch 82
  • 83. Choix techniques et économiques Sur le l technique, il paraît souhaitable d S l plan t h i ît h it bl de travailler à un niveau dinduction inférieur à la limite de saturation située à la partie extrême du domaine linéaire de la courbe dinduction d induction. Sur le plan économique, un niveau dinduction plus élevé entraîne une réduction du volume du fer. En contrepartie, un accroissement de potentiel magnétique est nécessaire pour compenser les chutes de potentiel supplémentaires. lé t i Un optimum apparaît donc entre les contraintes techniques (rendement) et lescontraintes économiques (volume) (volume). les niveaux dinduction couramment imposés dans les circuits magnétiques sont lessuivants: • environ 1 T pour de longs trajets dans le fer; • environ 1,2 T pour des zones telles que les pôles des machines électriques; • environ 1,5 T pour les circuits magnétiques des transformateurs ; • environ 1 6 T pour l zones l plus saturées et d l i 1,6 les les l t é t de longueur f ibl t ll que l d t faible telles les dents. • 1,5 à 1,7 T pour les transformateurs de puissance (tôles à cristaux orientés) 2010-2011 Mohamed Elleuch 83
  • 84. Pertes fer à flux alternatif• Un flux alternatif circulant dans un milieu ferromagnétique ferromagnétiq e y génère des pertes q i se qui traduisent par un échauffement.• Ces pertes sont imputables à deux causes: – le phénomène dhystérésis; d hystérésis; • (pertes par hystérésis: hysteresis Losses): ph – les courants induits dits courants de Foucault. • Pertes par courants induits: Eddy Current Losses: pf La somme des deux pertes définit les pertes fer: pfer 2010-2011 Mohamed Elleuch 84
  • 85. Pertes par courants de Foucault• Les matériaux ferromagnétiques sont généralement conducteurs. Cette propriété peut être caractérisée par la résistivité ρ.Les relations de Maxwell permettent décrire:une relation entre un phénomène dinduction variable dans le temps et unedensité de courant de circulation dans un milieu conducteur.Il résulte de cet effet des pertes Joule dont lexpression estla suivante: 2010-2011 Mohamed Elleuch 85
  • 86. Courants Induits: Eddy Current2010-2011 Mohamed Elleuch 86
  • 87. Réduction des pertes par courants de Foucault• Deux moyens permettent de réaliser cette réduction des pertes: • laugmentation de la résistivité par un alliage de fer et de silicium (jusquà 4,8% de Si); • laugmentation de la résistance du circuit électrique q par un fractionnement du circuit magnétique. 2010-2011 Mohamed Elleuch 87
  • 88. Feuilletage du circuit magnétique g g q Ces tôles doivent être isolées entre elles. Elles ont généralement uneépaisseur de 0,25 mm à 1 mm, mais plus fréquemment de 0,5 mm.Lisolation tLi l ti est assurée par un vernis ou par un dé ôt d silice. é i dépôt de ili2010-2011 Mohamed Elleuch 88
  • 89. Tôles magnétiques Ils sont essentiellement utilisés, dans les machines électriques travaillant aux , q fréquences industrielles (transformateurs et machines tournantes). Ils sont constitués de tôles en acier allié à du silicium (1 à 5 %), ce qui a l’avantage d augmenter d’augmenter la résistivité mais l’inconvénient de rendre les tôles cassantes l inconvénient cassantes.On distingue : Les tôles classiques à grains non orientés: CFER ≈ 5 W / kg Elles sont obtenues par un laminage à chaud suivi d’un décapage chimique, d’un p g p g q , dernier laminage à froid et d’un traitement thermique. Elles sont essentiellement utilisées dans les machines tournantes et les transformateurs de faible puissance (< 10 kVA). Les tôles à grains orientés. CFER ≈ 0.5 W / kg Le procédé de f fabrication est plus complexe et comporte un laminage à chaud suivi de plusieurs laminages à froid et traitements thermiques intermédiaires. Des propriétés magnétiques optimales sont obtenues, mais uniquement dans le sens du laminage : forte perméabilité induction à saturation importante très faibles pertes fer perméabilité, importante, fer. Elles sont essentiellement utilisées dans les transformateurs de forte puissance (> 10 kVA). 2010-2011 Mohamed Elleuch 89
  • 90. Pertes par hystérésis• Lorsque linduction oscille alternativement entre deux valeurs maximales ± Hmax, la caractéristique magnétique dans le plan B-H parcourt un cycle ferméLénergie par unité de volume dissipée lors de chaque cycle a pour expression: Cette énergie spécifique correspond à la surface du cycle dhystérésis. Pour une fréquence dalimentation f les pertes par unité de masse ont pour valeur d alimentation f, ρ est la masse spécifique du Formule empirique: matériau.LeL coefficient Ch est caractéristique des pertes par h té é i pour un matériau d ffi i t t té i ti d t hystérésis té i donné. é 2010-2011 Mohamed Elleuch 90
  • 91. Expression des pertes fer p p par courants de Foucault: Le L coefficient Cw est spécifique d matériau. L grandeur e est lépaisseur d ffi i t t é ifi du té i La d t lé i des tôles.pertes totales dans le fer: Ph+ Fo = (Ch + Cwe 2 f ) fBm 2 ou k 2 ⎛ f ⎞ ⎛ B ⎞ ˆ pertes f = C FER × ⎜ t fer ⎜ f ⎟ ⎟ ×⎜ ⎜ ⎟ ×Μ ⎝ 0⎠ ⎝ B0 ⎟ ˆ ⎠CFER : coefficient de pertes fer en W/kg (donnée constructeur) 2010-2011 : masse du circuit M Mohamed Elleuch 91 f0 = 50 Hz; B0 = 1 T; 1,5 < k < 2
  • 92. Iron losses versus flux density Iron l I losses of t f twodifferent electrical sheets at an alternating flux of50 Hz as a function of the maximum value of the flux density. yThe curves include boththe hysteresis loss and the eddy current loss 2010-2011 Mohamed Elleuch 92
  • 93. Pertes massiques des alliages Fe-Si sous une fréquence de 50 Hz (a 1.5T)2010-2011 Mohamed Elleuch 93
  • 94. Pertes massiques de différents matériaux a 50Hz en fonction de Bmax2010-2011 Mohamed Elleuch 94
  • 95. Pertes massiques de différents matériaux en fonction de la fréquence2010-2011 Mohamed Elleuch 95
  • 96. Effet de peau Si le courant est continu, alorsla répartition de J est uniforme; δ: Skin depth δ Ski d th Si le courant est variable, il seconcentre sur une épaisseur δ; p ;(épaisseur de peau) Au delà Au‐delà de δ le courant est δ,faible (de même pour J et H) etn’intéresse donc que la zonesuperficielle du circuitmagnétique (peau) (Plus la fréquence f est grande, (Pl l f é dplus la pénétration de H estfaible : c’est l’effet de peau. 2010-2011 Mohamed Elleuch 96
  • 97. Effet de peau• influence importante de la fréquence sur la résistivité : effet de peau : en alternatif, le courant n’utilise pas l t t lité d l section d conducteur ’ tili la totalité de la ti du d t mais a tendance à circuler sur sa périphérie.• Ce phénomène se traduit par l’augmentation de la résistance d conducteur. C’ t l raison pour é i t du d t C’est la i laquelle on fractionne le câble en plusieurs brins (fil de Litz en HF) HF).2010-2011 Mohamed Elleuch 97
  • 98. Les câbles2010-2011 Mohamed Elleuch 98
  • 99. 2010-2011 Mohamed Elleuch 99