Forum electrique

La machine synchrone est souvent utilisée comme génératrice. On l’appelle alors alternateur. Mis à part pour la réalisation de groupe électrogène de faible puissance, cette machine est généralement triphasée. Pour la production d’ électricité, les centrales électriques utilisent des alternateurs dont les puissances peuvent avoisiner les 1500 MW.

Comme le nom l’indique, la vitesse de rotation de ces machines est toujours proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent. Ce type de machine peut être utilisé pour relever le facteur de puissance d’une installation. On appelle celle-ci un compensateur synchrone.

Les machines synchrones sont également utilisées dans les systèmes de traction (tel le TGV). Ces machines sont associées à des onduleurs de courants, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle d’autopilotage (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor).

Comme toutes les machines tournantes, les machines électriques à courant continu sont constituées d’un stator et d’un rotor. Le stator crée un champ magnétique longitudinal fixe à l’aide d’enroulements ou d’aimants permanents. Le rotor est constitué d’un ensemble de bobines reliées à un collecteur rotatif. Le collecteur rotatif permet d’inverser la polarité du champ magnétique créé par le stator avant que celui-ci ne soit en phase avec celui créé par le rotor. Grâce à ce dispositif, les champs rotorique et statorique sont toujours en quadrature provoquant ainsi la rotation du rotor.
Un petit moteur à courant continu

L’avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse. Voire même leur raccordement direct à la source d’énergie : batteries d’accumulateurs, piles, etc.

Le principal défaut de la machine à courant continu réside dans l’ensemble balais/collecteur rotatif qui s’use, est complexe à réaliser et consomme de l’énergie. Un autre problème limite les vitesses d’utilisation élevées de ces moteurs lorsque le rotor est bobiné, c’est le phénomène de « défrettage », la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage).

Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs « disques » ou les moteurs « cloches », qui néanmoins possèdent toujours des balais.

Les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur brushless, aussi dénommé « moteur à courant continu sans balais », ou moteur sans balais.

(fr) Moteur synchrone
(fr) Machine asynchrone triphasée
(fr) Machine à courant continu
(fr) Moteur pas à pas
(fr) Historique des machines électromagnétiques et plus particulièrement des machines à réluctance variable par Bernard Multon
(fr) Les moteurs électriques pour applications de grande série par Bernard Multon, H. Ben Ahmed, N. Bernard, P.E. Cavarec, Revue 3E.I juin 2000, pp.5-18

Usages et consommation [modifier]

Aujourd’hui l’électricité sert pour l’éclairage, le chauffage ou la climatisation. Elle fait tourner les moteurs électriques qui font avancer les trains ou fonctionner les appareils ménagers. Elle fait fonctionner les appareils électroniques, le téléphone, la radiodiffusion, la télévision, la sonorisation. L’informatique, les automates, les communications numériques (internet, réseaux) ont besoin d’électricité.

En dépit d’encouragements aux économies d’électricité et d’une notable amélioration de l’efficience énergétique de 1999 à 2004, la consommation finale continue à augmenter en Europe (UE-25). Un ménage moyen de l’UE-25 consommait 4098 kWh en 2004, alors qu’il aurait pu n’en consommer que 800 kWh s’il était équipé d’appareils existants à basse consommation et en abandonnant les ampoules à incandescence (et encore moins avec les technologies les plus efficientes). Selon le Centre commun de recherche (CCR) de l’UE, de 2005 à 2006, la consommation a augmenté dans l’UE-25 dans tous les secteurs ; dans le résidentiel, dans le tertiaire (+ 15,8 %) et dans industrie (+ 9,5 %), à un rythme calqué sur celui du PIB global (+ 10,8 %).
Le rapport recommande d’encourager les chauffe-eau solaires et les économies d’énergie, par remplacement notamment des lampes à incandescence. En novembre 2006, la Commission européenne a engagé un plan d’action pour l’efficacité énergétique qui doit réduire de 20 % la consommation d’électricité de l’UE-25 en 2020 d’ici 20204. Les appareils consomment plutôt moins, mais ils sont plus utilisés (explosion de l’utilisation de l’ordinateur et du téléphone portable. Le temps passé devant la télévision a augmenté de 13 % entre 1995 et 20055. L’éclairage nocturne, qui est par ailleurs un des facteurs du phénomène dit de pollution lumineuse est en augmentation constante depuis 50 ans. Et dans le tertiaire l’éclairage (de jour souvent) est le premier poste de consommation électrique, 175 TWh consommés par an et 26 % de consommation électrique totale du secteur tertiaire6.
Le réseau domestique [modifier] Articles détaillés : Réseau électrique et Électricité domestique.

À part les appareils à piles ou les batteries d’automobile, la majorité de l’électricité utilisée dans la vie quotidienne provient du réseau électrique. Chaque habitation est reliée au réseau par l’intermédiaire d’un tableau qui contient au moins un compteur destiné à la facturation ainsi qu’un disjoncteur servant d’interrupteur général et, permettant de protéger l’installation. De ce disjoncteur sortent deux conducteurs qui alimentent l’installation domestique : la phase et le neutre et parfois deux conducteurs de phase supplémentaires, dans les installations triphasées. On trouve un troisième conducteur pour la mise à la terre.

On trouve ensuite un tableau de fusibles ou de disjoncteurs, distribuant le courant dans les différents circuits de la maison. On prévoit généralement des circuits spécialisés pour les appareils qui ont besoin de beaucoup de puissance (four, cuisinière électrique, lave-linge, lave-vaisselle, chauffe-eau…), normalement, par pièce un circuit pour l’éclairage et un pour les prises électriques.

On utilise des interrupteurs pour ouvrir ou fermer les circuits électriques. Il est possible d’utiliser des montages spéciaux comme un va-et-vient ou un télérupteur quand on souhaite créer plusieurs points de commande, par exemple à chaque bout d’un couloir.

Le sens du courant [modifier]

Dans un circuit électrique on dit que le courant électrique, noté I, circule entre les électrodes depuis le pôle positif vers le pôle négatif du générateur. Ce sens est purement conventionnel puisque le courant peut aussi bien être causé par des charges positives qui seront attirées par le pôle négatif du générateur, que par des charges négatives qui se déplaceront en sens inverse, vers le pôle positif. C’est ainsi que dans un fil électrique, les charges positives (les noyaux des atomes) restent fixes dans la structure du métal et ne peuvent constituer aucun courant électrique ; le courant électrique dans un métal est créé uniquement par le déplacement des charges négatives (les électrons libres) vers le pôle positif du générateur : c’est un courant électronique, cependant on utilise toujours le sens conventionnel I du courant, institué avant cette découverte.

On parle de courant continu quand le sens reste constant et, de courant alternatif quand il change périodiquement. La fréquence d’un courant alternatif est le nombre de périodes par seconde. Elle s’exprime en hertz (Hz), par exemple en Europe le courant distribué dans les installations électriques est à une fréquence de 50 Hz et en Amérique 60 Hz.

Analogie hydraulique [modifier]

Pour comprendre certaines propriétés du courant électrique, il est intéressant de le comparer à de l’eau s’écoulant dans un circuit de tuyaux. Le générateur peut alors être vu comme une pompe chargée de mettre en pression ce liquide dans les tuyaux.

La différence de potentiel, ou tension, ressemble alors à la différence de pression entre deux points du circuit d’eau. Elle est notée U, et exprimée en volts (V).

L’intensité du courant électrique peut être rapprochée du débit d’eau dans le tuyau. Elle mesure le nombre de charges qui passent chaque seconde à un point du circuit ; elle est souvent notée I, et mesurée en ampères (A).

La résistance d’un circuit électrique serait alors analogue au diamètre des tuyaux. Plus les tuyaux sont petits, plus il faut de pression pour avoir le même débit ; de façon analogue, plus la résistance d’un circuit est élevée, plus il faut une différence de potentiel élevée pour avoir la même intensité. La résistance électrique mesure donc la faculté de freiner plus ou moins le passage du courant. Elle est notée R et, elle est exprimée en Ohms (Ω).

Il est possible de pousser cette analogie beaucoup plus loin2 mais il est important de garder à l’esprit qu’elle a ses limites et que certaines propriétés du courant électrique s’écartent sensiblement de ce modèle à base de fluide, de tuyaux et, de pompes.

C’est le mouvement des charges électriques dans la matière qui est à l’origine de l’électricité.

Comme la masse, la charge électrique est une propriété de la matière, qui permet d’expliquer l’origine de certains phénomènes. Cela veut dire que personne n’a jamais observé directement une charge électrique, mais que les scientifiques ont remarqué des similitudes de comportement en étudiant certaines particules. Ils ont postulé que ces particules avaient une caractéristique en commun, dont les propriétés coïncidaient avec leurs observations.

Contrairement à la masse, il existe deux types de charges électriques, qui se comportent comme si elles étaient « opposées » l’une à l’autre ; on les appelle donc par convention positive et négative.
deux charges de nature opposée s’attirent deux charges de même nature, par exemple deux charges positives, se repoussent

Des charges de nature opposée s’annulent. Cela signifie qu’une particule qui possède autant de charges positives que négatives se comporte comme si elle n’en possédait aucune. On dit qu’elle est électriquement neutre.

L’électricité statique [modifier] Article détaillé : Électrostatique.

Dans la nature les électrons sont des porteurs de charges négatives et les protons des porteurs de charges positives. Les atomes qui composent la matière ordinaire sont faits d’électrons qui se déplacent autour d’un noyau composé de protons et de neutrons qui sont électriquement neutres. Le nombre d’électrons étant égal au nombre de protons, l’ensemble est électriquement neutre.

Quand on frotte certains matériaux entre eux, les électrons superficiels des atomes de l’un sont arrachés et récupérés par les atomes de l’autre. Par exemple une tige de verre frottée sur un tissu de soie se charge positivement, car ses atomes perdent des électrons au bénéfice de la soie ; si on frotte un ballon de baudruche sur des cheveux secs, on le charge négativement, car il capte des électrons aux cheveux.

Une règle en plastique frottée sur des vêtements possède une charge négative. Elle peut alors attirer des petits morceaux de papier. La règle modifie, par induction électrostatique, la répartition des charges dans le papier : les charges négatives de la règle repoussent les charges négatives à l’autre extrémité du morceau de papier et attirent les charges positives des atomes de papier.

On parle d’électricité statique, car les charges électriques ne peuvent pas circuler : elles sont piégées dans des matériaux isolants : le plastique, le verre, le papier… qui résistent à la circulation des charges1.

Le courant électrique [modifier] Article détaillé : Courant électrique.

Il existe aussi des matériaux conducteurs, comme les métaux, l’eau salée, le corps humain ou le graphite par exemple, qui permettent aux charges électriques de se déplacer facilement.

Lorsqu’on marche sur une moquette, le frottement des pieds sur le sol arrache des électrons et le corps se charge d’électricité statique. Quand on touche une poignée de porte métallique, on ressent alors une petite décharge électrique accompagnée d’une étincelle, causée par le déplacement brutal des charges électriques s’écoulant vers le sol à travers les matériaux conducteurs de la porte.

Cet écoulement est dû au fait qu’il y avait plus de charges dans le corps que dans le sol : comme deux charges de même nature ont tendance à se repousser, dans un conducteur elles vont chercher à se déplacer vers le point le moins chargé. Cette différence de charges entre le corps et le sol est appelée une différence de potentiel.

Pour créer un courant électrique, il faut donc un circuit de matériaux conducteurs qui permettra aux charges électriques de se déplacer et, un système capable de créer une différence de potentiel entre les deux extrémités du circuit. Ce système est appelé un générateur : ce peut être par exemple une pile ou une dynamo.

Systèmes à temps continu, à temps discret [modifier]
Systèmes à temps continus : Ce sont les systèmes qui existent naturellement.
Systèmes à temps discrets : ce sont des systèmes dont le temps a été discrétisé. Ces systèmes n’existent pas à l’état naturel (la majorité des systèmes physiques naturels sont de type à temps continu), mais étant donné que la plupart des contrôleurs utilisés en automatique sont calculés par des processeurs numériques, il est parfois intéressant de modéliser le système commandé comme un système à temps discret.
Systèmes à évènements discrets : systèmes dont le fonctionnement peut être modélisé par des évènements discrets. Généralement, ces systèmes sont modélisés par des réseaux de Petri, ou par les algèbres de dioïdes. Des exemples sont les réseaux ferroviaires, ou le fonctionnement d’une chaîne de montage.
Systèmes hybrides : Systèmes dont la modélisation nécessite l’utilisation des techniques liées aux systèmes continus et aux systèmes à évènements discrets, par exemple : une boîte de vitesse de voiture.

Systèmes monovariables, systèmes multivariables [modifier]

Quatre possibilités existent:
le système a une entrée et une sortie, c’est un système monovariable ou SISO (Single Intput Single Output),
le système a plusieurs entrées et plusieurs sorties, c’est un système multivariable ou MIMO (Multiple Intput Multiple Output),
le système a une entrée et plusieurs sorties, système SIMO,
le système a plusieurs entrées et une sortie, système MISO.

Système invariant dans le temps [modifier]

Ce sont des systèmes dont le comportement ne varie pas en fonction de l’instant où le signal d’entrée est envoyé.

Systèmes linéaires ou non linéaires [modifier] Article détaillé : Système linéaire.

On dit qu’un système est linéaire si la sortie est linéaire par rapport à l’entrée.

Aucun système n’est strictement linéaire, ne serait-ce que par les saturations (butées physiques, par exemple) qu’il comporte ou encore par les phénomènes d’hystérésis.

Inversement, un système non-linéaire peut parfois être considéré comme linéaire dans une certaine plage d’utilisation. Il faut toujours garder à l’esprit que le système sur lequel on peut travailler n’est qu’un modèle mathématique de la réalité, et que par conséquent il y a une perte d’information lors du passage au modèle. Bien sûr, il incombe à l’ingénieur de juger la pertinence de son modèle vis à vis des objectifs fixés.

Représentation des systèmes linéaires invariants [modifier]

Les automaticiens ont l’habitude de représenter graphiquement un système asservi par l’utilisation de schéma-bloc.

Equation différentielle et fonction de transfert [modifier] Article détaillé : Fonction de transfert.

Un système physique se décrit généralement avec des équations différentielles (principe fondamental de la dynamique, caractéristique d’un condensateur ou d’une bobine …). La transformée de Laplace permet alors de passer de l’équation différentielle à une fonction de transfert.

Pour un système à temps discret on utilise la transformée en Z.

Cette fonction permettra de déduire le comportement entrée-sortie du système.

Représentations temporelles [modifier]

L’automatique fait partie des sciences de l’ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l’analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les mathématiques, la théorie du signal et l’informatique théorique. L’automatique permet l’automatisation de tâches par des machines fonctionnant sans intervention humaine. On parle alors de système asservi ou régulé.

Les hommes de l’art en automatique ou automatisme se nomment automaticiens.

Un exemple simple, est celui du régulateur de vitesse d’une automobile, il permet de maintenir le véhicule à une vitesse constante, vitesse-consigne prédéterminée par le conducteur, indépendamment de la pente de la route..
Généralités, concepts [modifier]

On désire contrôler la température d’un four. La première tâche consiste à analyser le système “four” et à le modéliser sous forme d’équations. On pourra ainsi précisément relier l’entrée du système (une tension commandant la température) à la sortie (la température voulue du four). Cette relation peut se faire sous la forme d’une équation différentielle ou d’une fonction de transfert. On détermine aussi les conditions de stabilité du système (on ne veut pas que le four se mette à augmenter la température sans s’arrêter). On va ensuite synthétiser un nouveau système, le “régulateur”, celui-ci aura pour entrées la consigne (c’est à dire la température souhaitée à l’intérieur du four) ainsi que la température réelle du four fourni par un capteur et pour sortie la commande du four. Les deux systèmes “régulateur” et “four” sont mis en cascade. L’ensemble forme ce qu’on appelle un système asservi. Celui-ci doit répondre à un certain nombre d’exigences:
La stabilité (le régulateur ne doit pas rendre le système instable),
la poursuite (la température du four doit atteindre la température en consigne, on peut spécifier dans le cahier des charges si on a des contraintes de rapidité ou de dépassement),
le rejet des perturbations (on ouvre la porte du four, la température descend, la température doit rejoindre la température voulue).

Le “régulateur” peut alors être réalisé sous forme analogique (Circuit électrique avec résistances, condensateurs …) ou numérique.

A propos des systèmes [modifier]

Un système est une modélisation d’un procédé en fonctionnement. Il possède une ou plusieurs entrées, et une ou plusieurs sorties.

Les entrées du système sont appelées variables exogènes, qui rassemblent les perturbations et les variables manipulées, commandes ou grandeurs de réglage. Elles sont souvent représentées de manière générique par la lettre u ou e. Elles sont reliées au procédé en tant que tel par un actionneur.

Les sorties du système sont appelées variables contrôlées, mesures ou grandeurs réglées. Elles sont souvent représentées de manière générique par la lettre y. Le procédé est relié à la sortie du système par un capteur.

Dans le cas d’un système échantillonné, les entrées et sortie sont à temps discret, mais le système en-lui même demeure à temps continu. Le système inclut donc un convertisseur numérique-analogique en entrée, un convertisseur analogique-numérique en sortie et une horloge permettant de fixer la fréquence d’échantillonnage.

Il existe une infinité d’exemples de systèmes : des systèmes mécaniques, des systèmes électriques ou des procédés chimiques. La représentation du système ne pourra alors se faire qu’avec de bonnes connaissances dans le domaine physique correspondant.

Un court-circuit (appelé familièrement « court-jus ») est la mise en connexion volontaire ou accidentelle de deux points (ou plus) d’un circuit électrique entre lesquels existe une différence de potentiel, par un conducteur de faible résistance. Il donne naissance à un courant de court-circuit. Les électrotechniciens utilisent fréquemment le mot défaut comme synonyme de court-circuit, car c’est un défaut de l’isolement électrique qui provoque l’apparition d’un arc électrique. On parle aussi de claquage diélectrique de l’air, ou d’un matériau isolant.

Sur un réseau de distribution électrique, les courts-circuits peuvent être catégorisés :
par leurs durées :
auto-extincteur, si le défaut disparaît de lui-même en des temps très courts, sans provoquer de déclenchement des organes de protection (fusible ou disjoncteur),
fugitif, si le défaut disparaît après une ou plusieurs coupures brèves du réseau d’alimentation sans nécessiter d’intervention,
semi-permanent, si le défaut disparaît après une ou plusieurs coupures longues du réseau d’alimentation (quelques dizaines de secondes) sans nécessiter d’intervention,
permanent, si le défaut provoque un déclenchement définitif et nécessite l’intervention du personnel pour la reprise du service ;
par leurs origines :
mécaniques (rupture de conducteurs, liaison électrique établie entre deux conducteurs par un mauvais câblage, un outil oublié, une branche ou par un animal),
surtensions électriques d’origine interne (surtensions de manœuvre) ou atmosphérique (foudre),
dégradation de l’isolement consécutive à la chaleur, à l’humidité, au vieillissement ou à une atmosphère corrosive ;
par leurs localisations : interne ou externe à une machine, sur une ligne aérienne ou souterraine ;
par la nature de la connexion :
court circuit franc si 2 points mis en court-circuit se touchent directement,
court circuit impédant si les 2 points mis en court-circuit sont reliés par un milieu impédant (un arbre par exemple).

Outre ces caractéristiques, on distingue sur un réseau triphasé les courts-circuits :
monophasés (80 % des cas), où une phase et le neutre ou la terre sont reliés ensemble ;
biphasés (15 % des cas), où deux phases sont raccordées ensemble ;
triphasés (5 % des cas), où les trois phases sont reliées ensemble.
biphasés-terre (ou bi-terre), où deux phases et la terre sont reliés ensemble

Suivant le régime de neutre du réseau (points neutres des transformateurs triphasés mis à la terre directement, via une impédance ou bien isolés), les courants de courts-circuits monophasés peuvent être plus ou moins intenses.

Si un court-circuit se produit sur une ligne non protégée par un disjoncteur, ou bien s’il est éliminé trop lentement, il peut y avoir des conséquences telles que départ de feu, ou électrocution, destruction des matériels électriques et téléphoniques. Il est donc indispensable de se prémunir contre de tels incidents.

Une machine électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion d’énergie électrique en travail ou énergie mécanique. La plupart des machines électriques fonctionnent grâce au magnétisme, mais il existe aussi des machines électrostatiques ou utilisant l’effet piézoélectrique.

Les machines électriques produisant une énergie électrique à partir d’une énergie mécanique sont appelées dynamos, alternateurs ou générateurs suivant la technologie utilisée. Les machines électriques produisant une énergie mécanique à partir d’une énergie électrique sont appelées des moteurs. Toutes les machines électriques étant réversibles, la distinction moteur/générateur ne se fait que sur l’usage final de la machine. Les moteurs rotatifs produisent d’un couple par un déplacement angulaire tandis que les moteurs linéaires produisent d’une force par un déplacement linéaire.
Historique [modifier]

En 1821, après la découverte du phénomène de l’électromagnétisme par le chimiste danois Ørsted, le physicien anglais Michael Faraday construit deux appareils pour produire ce qu’il appela une rotation électromagnétique : le mouvement circulaire continu d’une force magnétique autour d’un fil, en fait la démonstration du premier moteur électrique.
Le schéma de la roue de Barlow

En 1822, Peter Barlow construit ce qui peut être considéré comme le premier moteur électrique de l’histoire : la « roue de Barlow » qui est un simple disque métallique découpé en étoile et dont les extrémités plongent dans un godet contenant du mercure qui assure l’arrivée du courant.

Le premier commutateur utilisable expérimentalement a été inventé en 1832 par William Sturgeon. Le premier moteur a courant continu fabriqué avec l’intention d’être commercialisé a été inventé par Thomas Davenport en 1834 puis breveté en 18371. Ces moteurs n’ont pas connu de développement industriel à cause du coût des batteries à l’époque.

On doit la vérification pratique de la réversibilité des machines électriques au physicien italien Antonio Pacinotti en 18642.

1869 L’inventeur belge Zénobe Gramme, rend possible la réalisation des génératrices à courant continu en imaginant le collecteur. Il améliore les premières versions archaïques d’alternateurs (1867) et devient célèbre en retrouvant le principe de l’induit en anneau de Pacinotti. En 1871, il présentera à l’Académie des sciences de Paris la première génératrice industrielle de courant continu, que l’on appela machine de Gramme et qui était en fait une magnéto.

La paternité de la machine asynchrone est controversée entre trois inventeurs : en 1887, Nikola Tesla dépose un brevet sur la machine asynchrone 3,4, puis en mai de l’année suivante cinq autres brevets. Pendant la même période Galileo Ferraris publie des traités sur les machines tournantes, avec une expérimentation en 1885, puis une théorie sur le moteur asynchrone en avril 1888 5. En 1889, Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski, électricien allemand d’origine russe, invente le premier moteur asynchrone à courant triphasé à cage d’écureuil qui sera construit industriellement à partir de 1891 6.