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Electrotechnique

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Cours délectrotechnique et délectronique de puissance

Chapitre 1 - Machine à courant continu · Chapitre 2 - Puissances électriques en régime sinusoïdal · Chapitre 3 - Systèmes triphasés · Chapitre 5 - Transformateur

Qu'est-ce que l'électrotechnique PDF ?
L'électrotechnique est l'étude des applications techniques de l'électricité, ou encore, la discipline qui étudie la production, le transport, le traitement, la transformation et l'utilisation de l'énergie électrique.
Quelles sont les matières de l'électrotechnique ?
Durant la première année, les étudiants sont évalués sur les matières suivantes :
Culture générale et expression.Anglais.Mathématiques.Construction des structures matérielles appliquées à l'électrotechnique.Sciences appliquées.Essais de systèmes.Génie électrique.
Quelle est la différence entre l'électricité et l'électrotechnique ?
Regroupe les activités de conception, réalisation, installation, mise en service des installations électriques industrielles et tertiaires ou du bâtiment. Savant mélange entre l'électricité et la technique, l'électrotechnique se rapporte aux applications de l'énergie électrique.
La formule indiquant la relation entre la puissance est la Loi d'Ohm : U = R × I (tension égale au produit de la résistance et de l'intensité).

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L"objet du support de cours n"est pas de fournir le cours complet. Il s"agit plutôt d"un guide pour vous aider à

suivre et comprendre le cours. Il vous appartient de le compléter et de l"enrichir des différents éléments abordé

en cours et en TD.Année Universitaire : 2017-2018 ii

3A-ERE, Elect

Table des matières

I Électricité3

I.1 Notions de base de l"électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.1.1 Les grandeurs électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.1.2 Énergie et puissance électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.1.3 Les dipôles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.2 Le régime monophasé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.2.1 Les signaux électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.2.2 Dipôles en régime alternatif sinusoïdal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.2.3 Énergie et puissance en monophasé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.3 Réseaux et distributions triphasés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.3.1 Systèmes Triphasés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.3.2 Distribution Triphasée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.3.3 Récepteurs Triphasés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I.3.4 Puissances en triphasé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II Électrotechnique25

II.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.1.1 Transport et Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.1.2 Les risques électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.1.3 Moyens de protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.2 Le transformateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.2.2 Constitution d"un transformateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.2.3 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.2.4 Le transformateur parfait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.2.5 Adaptation d"impédance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.2.6 Le transformateur réel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33
II.2.7 Les pertes de puissance d"un transformateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

II.2.8 Bilan Énergétique et Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.3 Machine Asynchrone (MAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.3.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.3.2 Constitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38
II.3.3 Fonctionnement du moteur asynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

II.3.4 Caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.3.5 Modélisation et mise en équation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.4 Machine Synchrone (MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.4.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.4.2 Principe de Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 4

II.4.3 Constitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.4.4 Alternateur synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.4.5 Bilan des puissances et pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.5 Moteur à courant-continu (MCC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.5.1 Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

II.5.2 Mise en équation et Modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

A Références Bibliographiques 57iii

TABLE DES MATIÈRESiv3A-ERE, Elect

Avant de commencer

Pourquoi s"intéresser à l"électricité/électrotechnique?

Du fait de leurs multiples avantages (souplesse/facilité d"utilisation, excellent rendement, performances

élevées...) on peut constater aujourd"hui que l"énergie électrique c"est très largement généralisé, et

est devenue aujourd"hui facilement accessible et disponible quasiment partout en France. L"une des

propriétés particulières de l"énergie électrique est que certaines de ses caractéristiques dépendent à

la fois du producteur/distributeur d"électricité, des fabricants d"équipements et du client. Ainsi bon

nombre de dispositif électrique ont la particularité d"être à la fois sensibles aux perturbations de la

tension (ou du courant) électrique, et sont également générateurs de perturbations (eg. problème

de compatibilité électrique - CEM). En particulier, c"est une énergie clé reliée directement ou

indirectement, et ce de façon réversible aux autres formes d"énergies.L"électrotechnique ou le génie électrique industriel est une partie de la physique qui concerne l"étude

des applications techniques de l"électricité.Traditionnellement on associe l"électrotechnique aux "courants forts", par opposition aux "courants

faibles" qui seraient du domaine exclusif de l"électronique. Cependant si on rencontre bien en électro-

technique :

•de très fortes puissances, de plusieurs mégawatts (MW) à quelques milliers de MW, principalement

lors de la production et du transport de l"énergie électrique Ex.: une tranche de centrale nucléaire a une puissance de 1300 MW

•on rencontre aussi de faibles puissances, de l"ordre du kW ou du W, pour le chauffage, l"électroménager,

etc.;

Le génie électrique industriel a un champ d"application extrêmement vaste, elle concerne de très

nombreuses entreprises industrielles, dans les domaines de la production et du transport de l"énergie

électrique EDF, RTE, Areva, Siemens, Alstom, Alcatel, General Electric, etc. ), dans les équipements

électriques (Leroy Sommer, Legrand, Schneider Electric, Bosch, Valéo, etc. ), dans les transports

utilisant des moteurs électriques ( SNCF, RATP, Alstom, etc. ), en électronique de puissance (ST

Microelectronics, Safran (ex Sagem), etc. ), et également dans des domaines plus inattendus comme l"aérospatial (EADS, etc. ).

L"électrotechnique est liée étroitement à l"électronique et à l"automatique (disciplines de l"E.E.A.)

auxquelles elle a fréquemment recours, en particulier pour la commande des moteurs.1 2

3A-ERE, Elect

Chapitre I

ÉLECTRICITÉI.1 Notions de base de l"électricité

Les grandeurs physiques

Unegrandeur physiqueest une quantité qui peut se calculer ou semesurer. Elle peut être décrite

par un nombre réel, un nombre complexe, un vecteur, etc., parfois accompagné d"uneunité de mesure

(mais pas toujours!). Certaines grandeurs physiques sont liées par une relation mathématique, dite

loi physique.

Unegrandeur algébriqueest une grandeur physique affectée d"unsigne, ce qui permet d"en orienter

le sens sur un axe donné.

I.1.1 Les grandeurs électriques

I.1.1.A Le courant électriqueDéfinition 1(Courant électrique).Uncourant électriqueest la grandeur algébriquecorrespondant à la circulation deporteurs de charges mobiles(p.c.m.) électriques dans unconducteur. ,!Par convention, le sens du courant est le sens de déplacement des charges positives.

Lacharge électrique(notéeq)est une propriété fondamentale des particules élémentaires qui consti-

tuent la matière. Elle s"exprime en coulombCou enA=s ,!Charge élémentaire :q= 1:602171019C

I.1.1.B Milieu conducteur

Un milieu est dit conducteur s"il existe des p.c.m. (électrons, ions, etc.) susceptibles de se déplacer

dans tout le milieu. Dans le cas contraire, le milieu est ditisolant.

I.1.1.C Différents types de courant

Courantparticulaire: particules chargées se déplaçant dans le vide Courant deconvection: mouvement des p.c.m. provoqué par le mouvement de leur support matériel chargé .

Courant deconduction?: déplacement des p.c.m. dans un milieu fixe dans le référentiel d"étude.

I.1.1.D Différents types de porteurs de charges (p.c.m.) Dans les métaux : électrons libresq=e(charge élémentairee= 1:602171019C).

Chaque atome du métal libère un ou plusieurs électrons qui se propagent librement dans le métal.

Dans les semi-conducteurs : électrons libres (chargeq=e) et trous (chargeq= +e). Dans les liquides : cations (ions+), anions (ions).

Dans les gaz : porté à très haute température, il peut y avoir ionisation d"une partie d"un gaz dans

certaines conditions comme une décharge électrique, on parle de plasma.3 I.1 Notions de base de l"électricité4I.1.1.E L"intensité du courant électrique Définition 3(Intensité électrique).On désigne l"intensité du cou- rant électriquei(t)à travers une section (S) de conducteur, le débit de chargesdq(t)qui traverse la section (S) de conducteur pendant un intervalle de tempsdt, soit : i(t) =dq(t)dt(I.1)Le courant d"un circuit ouvert est nul!

I.1.1.F Potentiel et Tension électrique

Dans un conducteur, le mouvement des p.c.m. est du à la force éléctromagnétique : !F=q!E(P) avec !E(P)le champs électrique au pointPdu conducteur. Généralement, le champ électrique!E(P)est imposé par un élément générateur. La connaissance de!E(P)permet de déterminer lepotentiel électriqueVdont il découle : V=Z

S!Ed!l(I.3)Définition 5(Potentiel électrique).Lepotentiel électrique, exprimé en volts (V) dans le S.I.,

est l"une des grandeurs définissant l"état électriqued"un pointPde l"espace. Il est défini à partir de

la distribution des charges électriques dans l"espace à l"aide de l"application de laloi de Coulombà

une distribution volumique de charge et en utilisant leprincipe de superposition.Définition 6(Tension électrique).Latension électrique(aussi confondue avec ladifférence de

potentiel), est lavaleur algébriquecorrespondant à la circulation du champ électrique!Ele long

d"un circuit. Latension électriqueUABentre les pointsAetB, est la différence entre les potentielsVAau pointAetVBau pointB: U

AB=VAVB(I.4)U

ABest une grandeur algébrique, c"est-à-dire :UAB=UBA. Elle se mesure au moyen d"un voltmètre

ou d"un oscilloscope (branché en parallèle).La tension au bornes d"un court-circuit (ou fil) est nulle

Conséquence, une source de tension branché entre 2 points au même potentiel ne fonctionne pas.On parle de la tensionaux bornesd"un dipôle, et de l"intensitétraversantce dipôle.3A-ERE, Elect

5Chap. I : L"ÉlectricitéI.1.2 Énergie et puissance électrique

Définition 9(Énergie).En physique, l"énergiecorrespond à la capacité de faire untravail, c-à-d.

d"agir (unité joules :J)

L"énergie constitue "un

pont" entre les différents domaines de la physique

Conservation de l"énergie : "Rien ne se perd, rien ne se crée tout se transforme" (Lavoisier, 1789)

,!L"énergie électrique :E=Z t2 t 1u

AB(t)i(t)dtouE=QVDéfinition 10(Puissance).En physique, lapuissanceest la quantité d"énergiepar unité de temps

fournie par un système à un autre. Lapuissancep(t)est undébit d"énergie:p(t) =dE(t)dt(unité watt :W)Définition 11(Puissance électrique).Lapuissance électriqueins-

tantanéeéchangé par un dipôle est définit par le produit : p(t) =uAB(t)i(t)(I.7),!La puissance électrique se mesure au moyen d"un wattmètre Bilan des puissances dans un circuit électrique :

Puissanceabsorbéeà l"entrée :Pa

Puissanceutiliséeà la sortie :Pu

Puissanceperdue(ou perte) :Pp

,!Principe de la conservation de l"énergie : P a=Pu+Pp Le dipôle A (eg.générateur)fournitla puissancePfau circuit ,!Papeut être une puissance mécanique(alternateur), chimique(pile), thermique(module Peltier), ou rayonnante(photovoltaïque). Le dipôle B (eg.récepteur)reçoitla puissancePrdu circuit

,!Pupeut être une puissance mécanique(moteur), chimique(électrolyse), thermique(effet joule), ou

Année Universitaire : 2017-2018,David FOLIO

I.1 Notions de base de l"électricité6Rendement :=PsortieP entree=PuP a,=PaPpP a=PuP u+Ppp(t) =uAB(t)i(t) Puissance électriquep(t))grandeur algébrique sip(t)0, alors il s"agit d"unepuissanceconsomméepar le dipôle,dipôle récepteur

sinonp(t)0, alors il s"agit d"unepuissancefourniepar le dipôle,dipôle générateurCeci est vrai pour laconvention récepteurEn convention générateur c"est l"inverse!

I.1.3 Les dipôles

I.1.3.A Notions de dipôle et définitionsDéfinition 12(Le dipôle).Undipôleest unconducteur électriquepossédantdeux bornes.

Le comportement d"un dipôle est caractérisé par : la tension ou différence de potentielle (d.d.p.) entre ces bornes (A et B) :UAB= (VAVB) le courantIqui le traverse.

,!Conservation de la charge: à tout instant le courant entrant par une borne est égal au courant

sortant par l"autre borne.

I.1.3.B Caractéristique des dipôlesDéfinition 13(La caractéristique d"un dipôle).La relation liant le courantIà la d.d.p.UAB(et

réciproquement) est appelécaractéristique électriquedu dipôle.

,!Par extension la caractéristique électrique désigne aussi lareprésentation graphiquede cette

fonction.

On distingue :

lacaractéristique statiqueenrégime stationnaire ,!la relation entreIetUABne comporte ni dérivée, ni primitive.

lacaractéristique dynamiqueenrégime variableDéfinition 14(Points de fonctionnement).Soit deux di-

pôles A (générateur) et B (récepteur) possédant chacune leur caractéristique tension-courant propre :

U=fA(I)etU=fB(I)

L"intersection de c"est deux caractéristiques définit lepoint de fonctionnementQ= (UQ;IQ)de l"ensemble du montage.3A-ERE, Elect

7Chap. I : L"ÉlectricitéTableI.1 - Exemple de caractéristique électriqueIU

ABIU ABIU

ABU=RIU=U0U=U0RIIU

ABIU ABIU ABI.1.3.C Classification des dipôles électrique

Un dipôle est dit

ACTIFs"ilpeutde fournir de l"énergie électrique de façon permanente ,!dipôle générateur, mais aussi et certains récepteurs. PASSIFs"ilne peutfournir de l"énergie électrique de façon permanente. ,!Sa caractéristique passe par l"origine (ie.I= 0siUAB= 0) ,!dipôle récepteur. SYMÉTRIQUEsi sa caractéristique est symétrique par rapport à l"origine.

,!un dipôle symétrique est toujours un dipôle passif, et son comportement n"est pas modifié si

on inverse le sens du courant : il n"estpas polarisé. LINÉAIREsi sa caractéristique est définit par •une fonction linéaire (eg. l"équation d"une droite) :

I=pUAB+qouUAB=aI+b(I.8)

•ou une équation différentielle linéaire à coefficient constant : N X k=0a kdku(t)dtk=MX p=0b

pdpi(t)dtp(I.9)Un circuit électrique est ditlinéaires"il est constituéuniquementdecomposants linéaires.I.1.3.D Conventions

Convention récepteurs :

Le courant et la tension sont orientés en sens inverse. Cela permet d"obtenir deux grandeurs positives pour des dipôles s"opposant à la circulation du courant.

Convention générateur :

Le courant et la tension sont orientés dans le même sens. Cela permet d"obtenir deux grandeurs positives pour des dipôles favorisant la circula- tion du courant. Grandeurs électriquesGrandeurs algébriques: les grandeurs électriquescourant et tension sont desgrandeurs algébriques: leurs signes dépendent de la convention utilisée. ,!La caractéristique d"un dipôle dépendra de la convention choisie.©

Année Universitaire : 2017-2018,David FOLIO

I.1 Notions de base de l"électricité8I.1.3.E Dipôles linéaires passifs

Dipôles passifs linéaires:

,!PASSIF: le dipôlene peutfournir de l"énergie électrique de façon permanente (,p(t)0). ,!LINÉAIRE: la caractéristique électrique du dipôle est linéaire ,!Sa caractéristique passe par l"origine (ie.I= 0siUAB= 0) ,!dipôle récepteur.IU ABIU AB,!Les dipôles passifs linéaires sont aussi desdipôles symétriques

La résistance

La résistance est un "dipôle résistif" , aussi appeléerésistorouconducteur ohmique.

Équation caractéristique : laloi d"Ohm

u(t) =Ri(t),i(t) =Gu(t)(I.10),!avecRlarésistance(unité : ohm, ), etG= 1=Rlaconductance(unité : siemens,S)

QuandR!0

(ouG! 1): le résistor,court-circuit(U!0).

QuandR! 1

(ouG!0): le résistor,circuit ouvert(I!0).Le conducteur ohmique correspond à undipôle linéaire,passifetsymétriquese comportant en

dipôlerécepteur(p(t)0).Ce comportementlinéaireidéalen"est vrai que sur un "domaine de fonctionnement".Le Condensateur

Uncondensateur(Eng.:capacitor) est uncomposant électronique, qui est constitué dedeux arma-

tures conductricesqui se font faces séparées par undiélectrique,de permittivité absolue".

Équation caractéristique du condensateur :

i(t) =Cdu(t)dt,u(t) =1C Z t t

0i()d(I.11)

,!avecClacapacité(unité : farad,F)Siu(t) = Cstealorsi(t) = 0,8C, le condensateur se comporte comme un circuit ouvert.3A-ERE, Elect

9Chap. I : L"ÉlectricitéIl existe des condensateurs ditspolarisé(ie. non-symétrique) : ils ont une

borne positives et une négative.

,!Même principe que les condensateurs classique,mais une inversion de la polarité peut conduire à la

destruction du composant!La Bobine Unebobineouinductance(Eng.:selfou Eng.:inductor) est constituée deNspiresobtenues

par enroulement d"un fil métallique (eg. du cuivre) éventuellement autour d"un noyau en matériau

ferromagnétique (noyau de fer).

Équation caractéristique du condensateur :

u(t) =Ldi(t)dt,i(t) =1L Z t t

0u()d(I.12)

,!avecLl"inductance(unité : henry,H)Sii(t) = Cstealorsu(t) = 0,8L, la bobine se comporte comme un court-circuit.La bobine est un composant de l"électronique que l"on peut difficilement miniaturiser, rendant sont

intégration sur dans certains circuit difficile.I.1.3.F Dipôles linéaires actifs Un dipôle est ditactifs"il est capable de fournir de l"énergie électrique de façon permanente. ,!Il s"agit principalement des dipôles générateurs (ou sources).Deux familles de sources : les générateurs de tensions les générateurs de courant

Deux types de sources :

lessources indépendantes(par défaut) lessources liées: la grandeur électriquedépendd"un paramètre (eg. tension ou courant) du circuit.Pour les sources actives, on adopte la convention générateur!

Année Universitaire : 2017-2018,David FOLIO

I.2 Le régime monophasé10I.2 Le régime monophasé

I.2.1 Les signaux électriques

Un signal électrique peut être caractérisé par sa forme : continue ou variable, périodique ou non,

unidirectionnel ou alternatifs, etc. On distingue également : lessignaux analogiques: variationcontinuedans le temps des signaux électriques ,!Information : valeurs instantanées des grandeurs électriquesquotesdbs_dbs32.pdfusesText_38

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Qu'est-ce que l'électrotechnique PDF ?

Quelles sont les matières de l'électrotechnique ?

Durant la première année, les étudiants sont évalués sur les matières suivantes :

Quelle est la différence entre l'électricité et l'électrotechnique ?

ÈMEANNÉEÉNERGIE, RISQUES ETENVIRONNEMENT

SUPPORT DECOURS

3A-ERE, Elect

Table des matières

I Électricité3

II Électrotechnique25

A Références Bibliographiques 57iii

TABLE DES MATIÈRESiv3A-ERE, Elect

Avant de commencer

3A-ERE, Elect

Chapitre I

Les grandeurs physiques

I.1.1 Les grandeurs électriques

I.1.1.B Milieu conducteur

I.1.1.C Différents types de courant

I.1.1.F Potentiel et Tension électrique

AB=VAVB(I.4)U

5Chap. I : L"ÉlectricitéI.1.2 Énergie et puissance électrique

L"énergie constitue "un

Puissanceabsorbéeà l"entrée :Pa

Puissanceutiliséeà la sortie :Pu

Puissanceperdue(ou perte) :Pp

Année Universitaire : 2017-2018,David FOLIO

I.1.3 Les dipôles

On distingue :

U=fA(I)etU=fB(I)

7Chap. I : L"ÉlectricitéTableI.1 - Exemple de caractéristique électriqueIU

ABU=RIU=U0U=U0RIIU

Un dipôle est dit

I=pUAB+qouUAB=aI+b(I.8)

Convention récepteurs :

Convention générateur :

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Dipôles passifs linéaires:

La résistance

Équation caractéristique : laloi d"Ohm

QuandR!0

QuandR! 1

Équation caractéristique du condensateur :

0i()d(I.11)

9Chap. I : L"ÉlectricitéIl existe des condensateurs ditspolarisé(ie. non-symétrique) : ils ont une

Équation caractéristique du condensateur :

0u()d(I.12)

Deux types de sources :

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I.2.1 Les signaux électriques