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Page 1: 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

Page 2: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

Plan

1 Puissance électrique

2 Grandeurs mécaniques

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 2 / 8

Page 3: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

Plan

1 Puissance électrique

2 Grandeurs mécaniques

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 3 / 8

Page 4: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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Plan

1 Puissance électrique

2 Grandeurs mécaniques

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 5 / 8

Page 6: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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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

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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

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Page 9: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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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

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Page 11: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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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

Page 13: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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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

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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

Page 16: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 17: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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.

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Page 18: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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Page 19: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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Page 20: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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Page 21: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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Page 22: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 23: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 24: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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Page 25: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 26: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 27: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 28: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 29: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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Page 30: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 31: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 32: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 33: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 34: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 35: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 36: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 37: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 38: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 39: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 40: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 41: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 42: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 43: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 44: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 45: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 46: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 47: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 48: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 49: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 50: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 51: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 52: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 53: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 54: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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Page 64: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

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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

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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

Page 67: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 68: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 69: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 70: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 71: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 72: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 73: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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

Page 74: Cours d'Electrotechnique 2 : machines tournantes

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


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