Conception Des Systèmes Électriques PDF

# CONCEPTION DES SYSTEMES ELECTRIQUES ## TABLE DES MATIERES - CHAPITRE 1 - Matériaux pour les machines électriques - CHAPITRE 2 - Transformateurs - CHAPITRE 3 - Machines électriques à courant continu - CHAPITRE 4 - Machines Asynchrones - CHAPITRE 5 - Machines synchrones ## CHAPITRE 1 ##...

# CONCEPTION DES SYSTEMES ELECTRIQUES ## TABLE DES MATIERES - CHAPITRE 1 - Matériaux pour les machines électriques - CHAPITRE 2 - Transformateurs - CHAPITRE 3 - Machines électriques à courant continu - CHAPITRE 4 - Machines Asynchrones - CHAPITRE 5 - Machines synchrones ## CHAPITRE 1 ### Matériaux pour les machines électriques #### 1.1. Technologie des machines électriques Les machines électriques comportent : - des matériaux magnétiques chargés de conduire et canaliser le flux magnétique; - des matériaux conducteurs chargés de conduire et canaliser les courants électriques; - des isolants; - un "contenant" : carcasse d'un moteur, cuve d'un transformateur; - un système de refroidissement. #### 1.1.1. Matériaux magnétiques Les machines soumises à des champs magnétiques variables sont le siège de pertes par courants de Foucault et de pertes par hystérésis, la somme de ces pertes est appelée pertes fer. Afin de réduire les pertes par courants de Foucault, on feuillète le circuit magnétique. Celui-ci est réalisé par assemblage de tôle de 2 à 3 dixièmes de milli mètre d'épaisseur. Ces tôles sont recouvertes d'isolant électrique, cette opération est généralement réalisée en trempant les tôles dans un bain chimique qui réalise une phosphatation de la surface. Cela réduit la circulation des courants induits (les courants de Foucault). Toujours afin de limiter les courants de Foucault, on augmente également la résistivité de l'acier employé en réalisant un alliage acier-nickel-silicium, mais on ne sait pas mettre plus de 3 à 4% de silicium dans l'alliage. Cela permet de réduire la "perméabilité" des tôles au courant électrique en maintenant la perméabilité aux lignes de champ magnétique. Pour réduire les pertes par hystérésis, les métallurgistes soumettent les tôles, qui serviront à confectionner les circuits magnétiques, à des cycles de laminage à des températures très précises. Le but étant d'obtenir des cycles d'hystérésis très étroits et d'orienter les domaines magnétiques (domaine de Weiss) afin d'obtenir une direction où la réluctance est minimale. Les pertes par hystérésis étant fonction de la surface du cycle (et de la fréquence) on les diminue ainsi considérablement. Les rouleaux de tôles sont découpés par emboutissage en considérant l'axe de laminage indiqué par le métallurgiste. Le fabriquant de tôles soumet celles-ci à des essais et indique les pertes en W/kg pour telle fréquence et tel champ magnétique maximum. - On utilise par exemple : - des tôles au silicium: alliage de fer et de 3,4% de silicium, saturée à 2 T, μ₁ = 6500; - des tôles spéciales à grains orientés, saturées à 3 Τ, με = 35000. #### 1.1.2 Matériaux conducteurs Le cuivre est généralement utilisé pour réaliser les bobinages des machines électriques car, à part l'argent, c'est le matériau dont la résistivité est la plus faible. Cependant, pour les lignes de transport de l'énergie électrique où l'on souhaite disposer de câble assez léger, on utilise l'aluminium. Certaines machines utilisent également l'aluminium en lieu et place du cuivre. L'or et l'argent sont utilisés pour la réalisation de la surface de certains contacts électriques mobiles. Suivant les applications, on ajoute au cuivre quelques % de chrome, de béryllium, de cadmium ou encore de nickel. | Matériaux conducteurs | Résistivité à 20° Celsius en Ohms-mètre, 2.m | | ------------------------ | ----------------------------------------------- | | Cuivre | 1,72.10-8 | | Or | 2,04.10-8 | | Aluminium | 2,63.10-8 | | Argent | 1.59.10-8 | | Laiton | 7,0.10-8 | | | | | **TABLEAU 1. 1- Résistivités de quelques matériaux conducteurs** | | #### 1.1.3 Matériaux isolants - Classe d'isolation Les conducteurs sont isolés avec du papier, du coton, du bois, du PVC, du caoutchouc, des thermoplastiques... Une fois la machine construite, on l'étuve afin de supprimer l'humidité puis on l'imprègne avec des vernis ou des résines, suit éventuellement une phase de cuisson. Les différents isolants répondent à un cahier des charges incluant la valeur de la tension électrique à supporter, la température de fonctionnement, les contraintes fonctionnelles et d'agencement de l'isolant dans la machine. Tous les facteurs de vieillissement thermique, électrique, mécanique et environnementaux ont un impact sur la durée de vie de tout type de machine, mais l'importance de l'un vis-à-vis des autres varie avec le type de machine et les conditions d'utilisation. C'est la qualité de ses isolants qui fait la qualité d'une machine. C'est par vieillissement puis destruction par claquage (amorçage d'un arc à travers l'isolant) que prend fin la vie d'une machine électrique. La norme admet que pour les petites machines basse tension bobinées en vrac, la dégradation est essentiellement due à l'effet de la température et de l'environnement; les machines de moyennes à grandes dimensions, utilisant des enroulements préformés sont également affectés par la température et l'environnement, mais les contraintes électriques et mécaniques peuvent également constituer un facteur de vieillissement important. La détermination de la capacité d'une machine à supporter un fonctionnement en régime permanent sous l'effet de la température est donc primordial. Cette grandeur est définie comme étant sa classe thermique ou classe d'isolation. Dans notre cas, la classe d'isolation définira la température maximale de fonctionnement des bobinages. Les trois classes les plus utilisées et définies par les normes CEI 85 et CEI 34-1 ont été reportées dans le tableau ci-après; elles fixent les valeurs limites de l'échauffement et de la température des bobinages (au point le plus chaud). La classe la plus courante est la classe F. | Classe d'isolation | Température limite | | ------------------- | ------------------- | | A | 110°C | | E | 115°C | | B | 130°C | | F | 155°C | | H | 180°C | | | | | **TABLEAU 1.2- Classes d'isolation** | | En fonction de la température ambiante dans laquelle fonctionne la machine, il en découle une réserve thermique de fonctionnement. Pour une température ambiante maximale fixée à 40 °C, la FIGURE I.1 fournit les réserves thermiques d'échauffement disponibles pour les trois classes définies dans le tableau précédent. **Image Description:** A diagram showing the temperature ranges for different insulation classes. It's a common graphic often used to explain how the ambient temperature affects the available temperature rise for motors. The image is a graph with a vertical axis labeled "C" representing temperature ranging from 40 to 180 degrees, and a horizontal axis labeled "Class of Isolation" covering classes B, F, and H. - The diagram shows: - Maximum operating temperature for each class. - Allowed temperature rise for each class. - Typical ambient operating temperature (40°C). - The available temperature rise for each class in this scenario. **FIGURE 1.1-Les trois classes d'isolation les plus courantes.** Cette réserve thermique permet un échauffement supplémentaire, à caractère transitoire si l'on souhaite augmenter la durée de vie de la machine ou permettant l'existence de points chauds dans les bobinages. Pour une classe thermique donnée, cette réserve peut être augmentée par un dimensionnement approprié produisant un échauffement inférieur au maximum autorisé. A titre d'exemple, la construction des moteurs Leroy Somer de classe F conduit à un échauffement de 80°C au lieu des 105°C autorisés. Il en résulte que la réserve thermique passe de 10 à 35 C (dans des conditions normales d'utilisation: altitude inférieure à 1000 m, alimentation sous fréquence et tension nominales). La température atteinte est liée à l'échauffement, lui-même lié à la puissance mise en jeu, et à la température ambiante. Il faut également tenir compte d'un déclassement éventuel dû à l'altitude si elle est supérieure à 1000 m, de l'ordre de 10% par 1000 m. On se réfère en général à une température ambiante de 40 °C, par précaution, on se donne une marge de température de 10°C (15°C en classe H). On considère qu'un dépassement de 10°C de la température maximum divise la durée de vie de la machine par 2. Les machines peuvent être refroidies par rayonnement, conduction et convection. Dès que la machine est de taille importante, c'est la convection qui permet d'évacuer les pertes vers l'extérieur (l'atmosphère). Pour des machines de quelques kW, il est possible d'utiliser la convection naturelle: on munit le carter de nombreuses ailettes afin d'augmenter la surface d'échange carter/atmosphère. Généralement, la convection est forcée en plaçant un ventilateur sur l'axe du moteur. Pour les applications à faible vitesse, le refroidissement doit être soigneusement étudié et on peut mettre en œuvre un moto-ventilateur séparé. Pour de plus grandes puissances, on utilise un double circuit: - circuit primaire avec air, huile ou hydrogène ; - circuit secondaire à air généralement. Il est à noter que l'hydrogène, qui possède une chaleur massique plus importante que celle de l'air 10140 J/kg-K pour l'hydrogène contre 710 J/kg-K pour l'air, permet une plus grande extraction de calorie que l'air. De plus, il produit des frottements moindres, d'où son emploi malgré le danger qu'il représente. ## 1.2. Services de marche La plupart des moteurs fonctionnent souvent en service non continu. Certains moteurs ne fonctionnent que pendant une brève période, d'autres tournent toute la journée mais avec une faible charge, et de nombreux moteurs doivent accélérer de fortes inerties ou sont commandés en mode commuté et freinés électriquement. Dans tous ces divers types de service, un moteur ne chauffe pas comme en cas de service continu. Par conséquent, tous ces processus spécifiques d'échauffement doivent être pris en compte pour éviter une surcharge qui endommagerait les enroulements rotoriques et statoriques du moteur. Le service des moteurs est indiqué sur la plaque signalétique. il indique le cycle de fonctionnement d'un moteur, correspondant à sa puissance nominale. Un moteur devant être démarré le matin à 8 heures et arrêté le soir à 20 heures n'aura pas le même échauffement qu'un moteur d'ascenseur qui n'arrête pas de démarrer et de s'arrêter et donc pas le même type de service. Il existe neuf types de services différents, de S1 à S9, les plus courants sont les services S1, S2 et S3. | Service | Description | | ------- | ----------- | | S1 | Service continu | | S2 | Service temporaire | | S3 | Service périodique intermittent sans démarrage | | S4 | Service périodique intermittent à démarrage | | S5 | Service périodique intermittent à démarrage et freinage électrique | | S6 | Service continu à charge intermittente | | S7 | Service ininterrompu à démarrage et freinage électrique | | S8 | Service ininterrompu à variations périodiques de charge/de vitesse | | S9 | Service ininterrompu à variations non périodiques de charge/de vitesse | | | | | **TABLEAU 1.3- Services de marches des moteurs électriques** | | Les fabricants de moteurs doivent assigner la capacité de charge du moteur à l'un de ces types de service et fournir, le cas échéant, les valeurs relatives au temps de fonctionnement, à la période de charge ou au facteur de service relatif. #### 1.2.1 Échauffement des machines électriques La température interne d'une machine est liée à ses pertes qui sont-elles mêmes liées à la puissance électrique qu'elle convertit. Dans le cas le plus simple, une machine qui fonctionne en service continu S1 à sa vitesse nominale et délivre son couple nominal atteindra sa température de régime permanent au bout de 10 à 50 minutes. Celle-ci sera liée à sa classe d'isolement. Par exemple, en classe F (155°C), l'échauffement ne dépassera pas 105°C par rapport à une température ambiante de 40°C, avec une marge thermique de 10°C. Dans le cas d'une température ambiante élevée (supérieure à 40 °C), ou si la machine est installée à une altitude supérieure à 1000 m, il convient de déclasser la machine. Cela se fait avec des abaques, ou encore par tranche, par exemple 5% par élévation de 5 °C ou 1000°C. Ainsi, un moteur asynchrone de 20 kW installé à 2000 m dans une température ambiante de 35 °C verra sa puissance limitée à 20 x 0,95 =19 kW. La protection thermique des machines peut être assurée par divers dispositifs, plus ou moins élaborés et coûteux : - mesure du courant dans la machine et calcul de l'échauffement (relais thermique, disjoncteur); - sonde interne tout ou rien; - sont de mesure PT 100 ou thermocouple, intégrée au moteur raccordée à un relais de mesure; - calcul de l'état thermique de la machine par le calculateur du variateur de vitesse qui alimente la machine. #### 1.2.2 Indice de protection IPxx et IKxx L'indice IP est donné pour tous les équipements électriques et est indiqué par deux chiffres : - le premier correspond à la protection contre la pénétration des corps solides; - le deuxième correspond à la protection contre la pénétration des liquides. Par exemple, IP55 signifie "protégé contre la pénétration de toutes particules solides et contre les jets d'eau de toutes direction". On utilise une lettre supplémentaire pour indiquer le degré de protection des personnes, protection contre l'accès aux parties dangereuses. L'indice IK détermine le degré de protection du matériel contre les chocs d'origine mécanique. Par exemple: IK08 indique que Le matériel est protégé contre un choc équivalent à la chute d'une masse de 1,25kg depuis une hauteur de 40cm (correspondant à une énergie de 5 Joules).