Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les développements de l’électronique de puissance et de commande ont largement contribué à la diffusion des machines synchrones et de leur grande variété : traction électrique, équipement d’usinage à très grande vitesse, mais aussi en robotique et dans l’industrie automobile, sans compter depuis peu en fonctionnement moteur à vitesse variable. Les avantages de ces convertisseurs électromécaniques sont nombreux : rendement naturellement supérieur à celui des autres machines, capacité à régler la puissance réactive et souplesse de conception.
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Hamid BEN AHMED : Maître de conférences à l’École normale supérieure (ENS) de Cachan , antenne de Bretagne - Chercheur au laboratoire SATIE (Systèmes et applications des technologies de l’information et de l’énergie, UMR CNRS 8029)
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Nicolas BERNARD : Maître de conférences à l’Institut universitaire de technologie de Saint-Nazaire - Chercheur à l’Institut de recherche en électrotechnique et électronique de Nantes Atlantique (IREENA)
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Gilles FELD : Professeur agrégé à l’ENS de Cachan
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Bernard MULTON : Professeur des universités à l’ENS de Cachan, antenne de Bretagne - Chercheur au laboratoire SATIE
INTRODUCTION
La conversion électromécanique de l’énergie occupe une place importante dans le traitement de l’énergie au sens large. En effet, la production d’énergie électrique, réalisée très largement par des groupes tournants comprenant des machines synchrones, consomme le tiers de l’énergie primaire mondiale et les moteurs électriques convertissent une part importante (environ deux tiers dans les applications industrielles) de cette électricité [1]. L’échelle des puissances des convertisseurs électromécaniques, tous fondamentalement réversibles, s’étend sur plus de 10 décades, des tranches de production thermomécanique de plus de 1 GW aux plus petits actionneurs des systèmes micromécaniques de quelques microwatts. Les machines synchrones sont très largement représentées et occupent une place sans cesse croissante. Elles regroupent une très grande variété de structures qui ont cependant en commun un principe immuable : le synchronisme indispensable entre la fréquence des courants d’alimentation et le mouvement relatif de la partie fixe par rapport à la partie mobile. En fonctionnement générateur à fréquence fixe, elles sont exploitées depuis plus d’un siècle. Parmi les nombreuses qualités qui ont fait leur succès, citons : un rendement naturellement supérieur à celui des autres machines, une capacité à régler la puissance réactive et une très grande liberté de conception. Mais depuis quelques décennies, ces machines sont de plus en plus utilisées en fonctionnement moteur à vitesse variable et mettent en œuvre fréquemment des aimants permanents dans une plage de puissance toujours plus étendue (des plus faibles puissances de quelques microwatts à plusieurs mégawatts). Les développements de l’électronique de puissance et de commande ont largement contribué à leur très large diffusion. On les trouve, en effet, aussi bien en traction électrique que dans les dispositifs d’usinage à très grande vitesse en passant par la robotique, l’horlogerie, la domotique, l’industrie automobile ou encore les périphériques informatiques [2].
Pour répondre à ce large spectre d’applications, il existe une très grande variété d’architectures et de dispositions synchrones. Cependant, cette richesse topologique ne se traduit pas par des différences fondamentales en terme de principe physique de fonctionnement. La conversion électromécanique, à partir de sources électromagnétiques, obéit toujours en effet à un principe physique unique. La mise en œuvre de ce principe, selon différentes techniques, et les contraintes liées à l’application envisagée génèrent ensuite naturellement cette diversité architecturale.
En premier lieu, il convient de rappeler le principe général de fonctionnement des convertisseurs électromécaniques et plus particulièrement de type synchrone et de caractériser leur fonctionnement. En considérant plus particulièrement les machines de structure cylindrique à champs tournants, les principaux types de machines synchrones ainsi que leurs modes de fonctionnement sont ensuite présentés.
Le lecteur pourra utilement se reporter aux références bibliographiques des Techniques de l’Ingénieur mentionnées dans « Pour en savoir plus » .
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Conversion électromé- canique dans les systèmes électromagnétiques
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2. Constitution, modes de fonctionnement et performances
2.1 Constitution et principaux types de machines synchrones
Comme nous l’avons montré, une machine synchrone, quelle que soit son architecture, est une machine pour laquelle la fréquence f des courants dans l’induit est liée à la vitesse de rotation Ω et au nombre de paires de pôles p par la relation :
Les machines synchrones à champs tournants comportent :
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une armature portant les bobinages de l’induit (bobinage de puissance), monophasés ou polyphasés. Ils sont parcourus par des courants alternatifs et disposés de façon à créer le même nombre de pôles que l’inducteur. Cette armature est généralement située au stator (donc fixe) ;
-
une armature mobile portant soit un enroulement inducteur (bobinage d’excitation) parcouru par un courant continu, soit des aimants permanents montés en surface ou enterrés. Dans le cas d’un inducteur bobiné placé au rotor, l’alimentation de celui-ci est généralement réalisée via un système de contacts frottants bague-balais. L’utilisation d’aimants permanents est aujourd’hui quasi systématique pour les puissances inférieures à 10 kW.
On peut trouver, pour des applications spécifiques, une configuration différente. En effet, l’armature d’induit peut être tournante. C’est le cas, notamment, d’excitatrices pour roue polaire de machines synchrones de très grosses puissances. L’armature d’induit peut être sur la partie intérieure de la machine et fixe, le rotor entourant le stator et donc situé sur la partie extérieure. C’est le cas notamment des moteurs-roues pour véhicules électriques ou encore de petits ventilateurs. On parle alors de structure inversée.
En outre, pour les deux familles d’inducteurs, on distingue deux catégories de rotor :
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l’inducteur à pôles lisses donnant un entrefer constant donc sans hétérogénéité magnétique sur sa périphérie ;
-
l’inducteur...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MULTON (B.) - L’énergie sur la terre : analyse des ressources et de la consommation. La place de l’énergie électrique - . Revue 3E.I, no 13, pp. 29-38 (sept. 1998).
-
(2) - MULTON (B.), BEN AHMED (H.), BERNARD (B.), CAVAREC (P.-E.) - Les moteurs électriques pour applications de grande série - . Revue 3E.I, pp. 5-18 (juin 2000).
-
(3) - WHITE (D.C.), WOODSON (H.H.) - Electromechanical energy conversion - . John Wiley & Sons (1959).
-
(4) - LOVATT (H.C.), WATTERSON (P.) - Energy Stored in Permanent Magnets - . IEEE trans. on magnetics, 35, no 1, 505-507 (1999).
-
(5) - BERNARD (N.), BEN AHMED (H.), MULTON (B.) - Semi-analytical inductance calculation on an axial-field synchronous machine for a flywheel storage system using surfacic permeances - . IEEE-IEMDC’2001, Cambridge Massachusetts, 17-20 juin 2001 (CDROM).
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(6)...
FADAT (J.) - Moteurs synchrones à aimants ou à réluctance variable pour l’électroménager - . Thèse de doctorat, université de Montpellier-2 (2000).
AMARA (Y.) - Contribution à la conception et à la commande des machines synchrones à double excitation - . Thèse de doctorat, université de Paris-Sud (2001).
HAUT DE PAGE
NF EN 60034-16-1 (4-1997), Machines électriques tournantes – Partie 16 : Systèmes d’excitation pour machines synchrones – Chapitre 1 : Définitions
NF EN 60034-4 (2-1996), Machines électriques tournantes – Partie 4 : Méthodes pour la détermination à partir d’essais des grandeurs des machines synchrones
NF EN 61986 (5-2004-12-03), Machines électriques tournantes – Charge équivalente et techniques par superposition – Essais indirects pour déterminer l’échauffement
PR NF EN 60034-3 (9-2003), Machines électriques tournantes – Partie 3 : Règles spécifiques pour les machines synchrones à rotor cylindrique
CEI 60034-1 (4-2004), Machines électriques tournantes – Partie 1 : Caractéristiques assignées et caractéristiques de fonctionnement
CEI 60034-2 (1972), Machines électriques...
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