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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Lire l’articleAuteur(s)
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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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Constitution, modes de fonctionnement et performances
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1. Conversion électromé- canique dans les systèmes électromagnétiques
1.1 Lois fondamentales et structures élémentaires
Nous adoptons une convention électrique de type récepteur et une convention mécanique de type moteur. Les puissances positives correspondent donc à des puissances électriques absorbées ou mécaniques fournies.
Les angles considérés dans le repérage angulaire d’un point ou d’un mobile dans l’espace sont des angles mécaniques, orientés dans le sens trigonométrique (antihoraire).
Enfin, nous considérons pour l’étude de la machine synchrone tournante une topologie cylindrique triphasée à p paires de pôles. Les harmoniques d’espace et d’alimentation sont négligés, l’étude se limitant au fondamental.
Quelle que soit la technique utilisée pour sa mise en œuvre, la conversion d’énergie électromécanique obéit à un principe physique unique. Une approche globale, la méthode dite des travaux virtuels, permet de le formuler de façon intéressante et fiable. Le lecteur est invité à consulter l’article exposant les principes de conversion d’énergie dans un cadre plus général, formulés à partir des lois de la thermodynamique.
Il s’agit de rappeler ici, brièvement, le principe de la conversion électromécanique (ou plus précisément électromagnétomécanique), appliqué d’abord à des structures élémentaires puis aux machines à champs tournants les plus courantes, pour dégager les conditions fondamentales nécessaires à la génération d’un couple ou d’une puissance.
Pour cette étude, nous formulons les deux hypothèses simplificatrices suivantes :
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le système électromécanique comporte des matériaux (ferromagnétiques, électriques et isolants) idéaux, donc non dissipatifs ;
-
la température est supposée constante dans tout le système et durant tout le cycle de conversion.
...
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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).
-
(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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