Electrotechnique, tome 1 : Physique appliquée à la conversion et à la distribution de l'énergie électrique, cours complet illustré de 96 exercices résolus

290 Pages·2014·55.06 MB·French

by  Daniel Gaude

Daniel GAUDE
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ELECTROTECHNIQUE
Physique appliquée
à la conversion et à la distribution
de l'énergie électrique
1C ours complet
illustré de 96 exercices résolus
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EYROLLES
•
Daniel GAUDE
ÉLECTROTECHNIQUE
Physique appliquée
à la conversion et à la distribution
de l'énergie électrique
L'électrotechnique est une discipline où la recherche nous apporte pério
diquement de nouvelles applications. tandis que de nouveaux besoins ne
cessent de se faire jour.
L'intérêt que suscite cette discipline déjà classique s'en trouve donc
constamment stimulé, invitant tous ceux qui souhaitent suivre cette évolu
tion à découvrir ou à redécouvrir ce domaine porteur d'emplois et ouvrant
aux nombreuses carrières de techniciens, d'ingénieurs et de chercheurs.
Par sa polyvalence et sa souplesse, l'énergie électrique est au cœur des
échanges d'énergie.
Ce manuel permettra aux étudiants inscrits dans les différents premiers
cycles de renseignement supérieur et aux professionnels en formation
Agrégé de physique et docteur en génie continue d'étudier - avec des méthodes actuelles - l'électrotechnique
électrique. Daniel Gaude enseigne ces telle qu'on la pratique aujourd'hui; les problèmes reposent donc sur des
disciplines à l'IUT de Lyon-Villeurbanne. données industrielles et techniques.
D'abord professeur de physique dans le La part faite aux études de cas et aux exercices corrigés constitue un des
Secondaire. il exerça ensuite à l'université meilleurs atouts de cet ouvrage où r on verra que, chaque fois que cela
'
Claude Bernard/Lyon-1 comme enseignant est possible, le problème précède le cours. Toutefois. pour que r on soit
en licence d'ingénierie électrique. en prépa encouragé à le résoudre, la solution est le plus souvent déjà dans l'énoncé.
ration du Capet et de l'agrégation de génie Enfin, pour résoudre les problèmes à la calculatrice ou à l'ordinateur, la
électrique. Ses activités de recherche se sont simulation informatique et les méthodes de calcul informatisées sont ici
déroulées au laboratoire Ampère (Centrale très largement utilisées.
Lyon/Lyon-1/ Insa). Il a par ailleurs participé
Sommaire
à la réalisation d'un didacticiel multimédia
1. L'échange d'énergie dans les systèmes physiques et technologiques
d'électricité (Clickelec) ainsi qu'à la rédac
Énergie et systèmes • Régimes transitoires. Systèmes bouclés
tion du nouveau programme pédagogique
2. L'énergie électromagnétique
national des IUT.
Champs électromagnétiques et matériaux • Lois physiques de l'électromagné
tisme
3. La distribution de l'énergie électrique
Régimes alternatifs sinusoïdaux • Circuits magnétiques en régime dynamique.
Transformateurs • Technologie de la distribution
Unités du SI • Notations • Bibliographie • Index
Du même auteur: Électrotechnique: Électronique de puissance, conversion
électromagnétique, régulation et asservissement. Cours complet illustré de 97
exercices résolus, 328 p.
Publics
BTS Électrotechnique En 1" de couverture. de haut en bas:
Pylônes électriques haute tension© hxdyl/shutterstock.com. Poste de
DUT Génie électrique et transformation HTA/BT © CIMOE. Tableau électrique BT de commande
informatique industrielle (GEII) © emel82/shutterstock.com.
Réalisation de la couverture: Christophe Picaud
Licences professionnelles
Licences sciences & techniques
(EEA)
Code éditeur: G13919
Concours d'entrée des écoles
ISBN: 978-2-212-13919-8
d'ingénieurs www.editions·eyrolles.com
Formation continue (Cnam) Groupe Eyrolles 1 Diffusion Geodif
Daniel Gaude
ÉLECTROTECHNIQUE
Physique appliquée
à la conversion et à la
distribution de l'énergie
électrique
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EYROLLES
ÉDITIONS EYROLLES
61, bd Saint-Germain
75240 Paris Cedex 05
www.editions-eyrolles.com
Du même auteur chez le même éditeur
Électrotechnique : Électronique de puissance, conversion électromécanique, régulation et
asservissement. Cours illustré de 96 exercices résolus
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En app)jcation de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement
le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans l'autorisation de l'Éillteur ou du Centre
Français d'exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris.
© Groupe Eyrolles, 2014
ISBN 978-2-212-13919-8
Table des matières
Avant-propos .......................................................................................... VIII
Unités du système international X
. . . 1
N otat1ons pnnc1pa es ...................................................................................... XII
1.
l'échange d'énergie dans les systèmes
physiques et technologiques ........................................... .
1
Énergie et systèmes .................................................................... .
CHAPITRE 1-1 3
1.1 l'énergie et la puissance ......................................................................... 3
1.1.1 Energie et systèmes . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . .. . .. . . .. . .. .. .. . .. .. . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . 3
1.1. 2 Transfert et stockage d'énergie .. . . . .. . . . . . .. . . . .. .. . . . .. . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . .. . . . .. . 4
1.1.3 Énergie et puissance électrique .......................................................... 8
1.2 Énergie et puissance mécanique .......................................................... 15
1.2. l Translation rectiligne ........................................................................ 16
1.2.2 Rotation d'un solide autour d'un axe fixe .......................................... 21
1.2.3 Phases d'un mouvement ................................................................... 26
1.2.4 Charge entraînée ou résistante, charge entraînante ou motrice .......... 27
1.3 Situations problèmes en électromécanique ........................................ 28
1.3.1 Action mécanique exercée par une charge en mécanique ................... 28
1.3.2 Couple et inertie d'une charge ramenés à l'arbre moteur ................... 28
1.3.3 Mécanismes et machines simples ...................................................... 38
(/)
<lJ
1.3.4 Irréversibilité d'un mécanisme .......................................................... 41
0
'> 1.3.5 Mouvements de fluides ..................................................................... 47
w
<;j" 1.4 Énergie et puissance thermiques .......................................................... 57
r-l
0
N 1.4.1 La chaleur ...... ....... ....... ... .... ... ....... ....... ....... ... .... ... ....... ....... ....... ....... 58
@
1.4.2 Classes et régimes thermiques des moteurs ....................................... 62
.µ
..c
Ol 1.4.3 Modélisation thermique du moteur .................................................. 64
ï:::
>
Cl.
u0 CHAPITRE 1-2 Régimes transitoires. Systèmes bouclés ................................ 67
1.5 Transmittance et impédance de Laplace ............................................. 68
1.5.1 La transformation de Laplace
d'une fonction du temps et ses propriétés ......................................... 68
1.5.2 Transmittance de Laplace - Impédance de Laplace ........................... 71
1. 6 Systèmes en boucle ouverte et en boucle fermée.
Les bases de l'automatique linéaire ..................................................... 76
IV 1 Physique appliquée à la conversion et à la distribution de l'énergie électrique
1.6.1 Exercice corrigé 1-31: Régulation thermique ................................... 76
1.6.2 Fonctions de transfert ...... .............. .......... ...................................... ... 80
1.6.3 Modélisation des systèmes ................................................................ 80
1.6.4 Stabilité absolue des systèmes bouclés ... .......... .............. .......... .... ...... 90
1.6.5 Identification expérimentale ............................................................. 90
, . 'I , .
2
• Energie e ectromagnet1que ............................................. .
93
Champs électromagnétiques et matériaux ......................... .
CHAPITRE 2-1 95
2. 1 Notion physique de champ .................................................................... 95
2.1.1 Qu'est-ce qu'un champ? Le cas de l'électromagnétisme ..................... 95
2.1.2 Forces en électrostatique et en magnétostatique ................................. 99
., M t, .
2.2 Ch amps et ma t1ere. a enaux ............................................................ .. 103
2.2.1 Excitation et induction magnétique. Matériau magnétique .............. .. 103
2.2.2 Excitation et induction électrique. Matériau diélectrique .................. . 108
2.2.3 Matériaux magnétiques .................................................................... . 110
2.2.4 Matériaux diélectriques. Champ disruptif ........................................ .. 111
2.2.5 Tableau de comparaison entre électrostatique et magnétisme ............ . 112
Les lois physiques de l'électromagnétisme ........................
CHAPITRE 2-2 113
2.3 Grandeurs et lois physiques intégrales et locales ............................ .. 114
2.3.1 Comment en est-on venu à s'intéresser au flux
et a' 1a c.t rcu1 a t.t on d' un vecteur ch a mp .~ .. .......................................... . 114
2.3.2 Topologie des contours et des surfaces, circulation et Aux ................ .. 115
2.3.3 Un exemple simple, les lois d'Ohm locale et intégrale ...................... .. 117
2.3.4 Lois des flux des inductions (régimes statiques) ................................ . 119
2.3.5 Loi de la circulation des champs d'excitation
(régimes statiques) ............................................................................ . 123
(/) 2.4 Énergie stockée dans un champ électrostatique ou
<lJ
magnétostatique ...................................................................................... 130
0
'
>
w 2.4.1 Exercice corrigé 2-13 : Densité d'énergie (utilisable) stockée
<;j"
r-l dans un espace champ électrique ..................................................... . 131
0
N 2.4.2 Densité d'énergie élémentaire en électrostatique .............................. . 132
@
2.4.3 Densité d'énergie élémentaire en magnétostatique .......................... .. 134
.µ
.c
ïO::: l 2.5 Circuits magnétiques en magnétostatique ......................................... . 137
>
Q. 2.5.1 Étude qualitative d'une bobine d'induction.
0
u
Circuit magnétique parfait ............................................................. .. 138
2.5.2 Analogie circuit électrique-circuit magnétique ................................. . 142
2.5.3 Linductance propre, de la physique à l'électrotechnique ................. .. 145
2.5.4 Relation Aux totaux-courants .......................................................... . 153
2.6 Les modifications des lois intégrales de circulation
, . d .
en reg1me ynam1que ............................................................................ . 155
Table des matières 1 V
,. d . 'l , .
2.6.1 L1n uctlon e ectromagnetique ......................................................... . 156
2.6.2 La loi de Faraday et la loi de Lenz .................................................... . 160
2.6.3 La répartition d'un courant dans un conducteur
en régime variable ............................................................................ . 162
2.6.4 Le t h e, ore' me d'Am pe' re en re, g1. me van. ab l e ....................................... . 163
2.6.5 Pour aller plus loin : La propagation des champs électriques
et magnétiques 164
3.
La distribution de l'énergie électrique
169
Régimes alternatifs sinusoïdaux ............................................
CHAPITRE 3-1 171
3.1 Puissances en régime alternatif sinusoïdal ......................................... 171
3.1.1 Les grandeurs électriques intensité et tension
en régime variable . . . .. .. . . . . . .. . . . . . .. . . . .. . .. .. . . . . . .. . . . .. .. . . . .. . .. . . .. . .. .. .. . .. .. . . . . . .. . 172
3.1.2 Grandeurs instantanées sinusoïdales, vocabulaire,
étude mathématique ......................................................................... 173
3.1.3 Le comportement des charges linéaires en régime
alternatif sinusoïdal. Conventions pour u(t) et i(t) ............................ 177
3.1.4 Puissances en régime sinusoïdal ........................................................ 178
3.1.5 Bilan des relations utiles ................................................................... 184
3.1.6 Mesure de la puissance active: le wattmètre ...................................... 185
3.1.7 Facteur de qualité et facteur de résonance
et d'un circuit RLC série ................................................................... 186
3.2 Le régime alternatif sinusoïdal triphasé ............................................... 189
3.2.1 Lignes triphasées ... ....... ....... ....... ... ....... ....... ....... ....... ... ....... ....... ....... 190
3.2.2 Couplages sur la ligne triphasée de récepteurs
ou générateurs identiques ............. ....... ....... ....... .......... ..................... 190
3.2.3 Puissances en régime alternatif sinusoïdal triphasé équilibré .............. 193
3.2.4 Schéma équivalent monophasé ..... ....... ....... ....... ....... ... .............. ....... 196
3.2.5 Circuits triphasés déséquilibrés ......................................................... 197
(/)
<lJ
0
' Circuits magnétiques en régime dynamique.
> CHAPITRE 3-2
w
<;j" Transformateurs ........................................ ................. ... .... ... ..... 203
r-l
0
N
3.3 Bobine d'induction en régime dynamique .......................................... 203
@
...µc 3.3.1 Exercice corrigé 3-12: Évolution de l'énergie dans
Ol
ï::: une bobine en régime transitoire ...................................................... 203
>
Cl. 3.3.2 Bobine saturable et hystérétique en régime variable .......................... 206
0
u
3.3.3 Simulation d'une bobine en régime variable ..................................... 208
3.4 Transformateurs ....................................................................................... 212
3.4.1 La structure de base d'un transformateur à deux
enroulements et la réalité technologique ........................................... 212
3.4.2 Le transformateur en régime sinusoïdal et en monophasé ................. 218
3.4.3 Auto transformateur .......................................................................... 228
VI 1 Physique appliquée à la conversion et à la distribution de l'énergie électrique
3.4.4 Le transformateur en régime alternatif sinusoïdal triphasé ................ 229
3.4.5 Pour aller plus loin : Transformateurs triphasés
et régimes déséquilibrés .................................................................... 239
Technologie de la distribution ...............................................
CHAPITRE 1-1 249
3.5 Protection des biens . ....... ........ ...... ........ .. ....... ....... ....... ....... ... .... ... ....... ... 250
3.5.1 Appareillage électrique. Définition et symbolisation ......................... 250
3.6 Protection des personnes physiques . ... ....... ....... ....... ....... ... .... ... ........ .. 261
3.6.1 Les dangers du courant électrique ..................................................... 261
3.6.2 Régimes de neutre ou système de liaison à la terre S.L.T. .................. 264
Bibliographie ......................................................................................... 268
Index ...................................................................................................... 271
Sommaire de l'autre volume d'électrotechnique
Éledronique de puissance
conversion électromécanique
régulation et asservissement
1.
Électronique de puissance
La modulation de l'énergie électrique par l'électronique
CHAPITRE 1-1
de puissance
(/)
<lJ
1.1 Les principes de base de l'électronique de puissance
0
'
>
w 1.2 Les composants électroniques principaux
<;j"
r-l
0 1.3 La fonction modulation des signaux électriques continus
N
@
.µ 1. 4 La fonction redressement
..c
Ol
ï:::
> 1.5 L.'.'analyse harmonique des signaux
Cl.
0
u
1.6 La fonction onduleur
1.7 Une application de l'électronique de puissance :
la conversion d'énergie photovoltaïque
Tobie des matières 1 VII
2.
La conversion électromécanique
Caractères généraux des convertisseurs
CHAPITRE 2-1
électromécaniques électromagnétiques
2.1 Énergie électromagnétique et électromécanique
2.2 Étude technologique des machines électriques
2.3 Puissances et couples
Application aux moteurs à courant continu
CHAPITRE 2-2
2.4 Les machines à enroulements pseudo-stationnaires
et la commutation électromécanique
2.5 Les moteurs brushless et la commutation électronique
2.6 La commande des moteurs à courant continu
Les convertisseurs synchrones et leur commande
CHAPITRE 2-3
2.7 Les alternateurs et moteurs synchrones triphasés
2.8 Les moteurs pas à pas
La machine asynchrone triphasée et sa commande
CHAPITRE 2-4
2.9 La machine asynchrone triphasée. Étude physique
2.10 Le moteur asynchrone triphasé. Techniques de commande
3.
Électrotechnique et automatique
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0
'
> Régulation et asservissement en électromécanique
w CHAPITRE 3
<;j"
T"-l 3.1 Le problème de base 1. Asservissement ou régulation de vitesse
0
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3.2 Le problème de base 2. Asservissement de position
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d'un groupe tournant
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Avant-propos
Ce manuel est destiné aux étudiants sortant de l'Enseignement secondaire et effectuant un
parcours vers le palier de formation bac + 3 : BTS, DUT, licences professionnelles et techno
logiques, licences des sciences et techniques à l'Université, classes préparatoires technolo
giques. Il peut concerner aussi les étudiants du palier supérieur, pour révision et consolidation
des connaissances et même un peu plus pour les paragraphes notés « Pour aller plus loin ».
Il devrait aussi intéresser les candidats aux concours de professeurs de !'Enseignement tech
nique et de !'Enseignement professionnel ainsi que les auditeurs de la Formation continue.
Les notions de base sont rappelées, mais les prérequis de ce cours sont les programmes et les
méthodes de Terminale des sections S, SI, STI.
Loriginalité de la présentation de l'ouvrage est de faire une grande place à des études de cas
et à des exercices corrigés, souvent inspirés de problèmes issus des concours de recrutement
de professeurs, mais remaniés pour passer d'une vision « concours » à un objectif de forma
tion. Chaque fois qu'il est possible, c'est le problème qui précède les éléments de cours. La
solution du problème est, généralement, initialisée dans l'énoncé, afin de ne pas décourager
le lecteur à entreprendre sa résolution.
Cette démarche, par exercices de base précédant le cours, s'inscrit aussi dans la nouvelle péda
gogie qui s'installe dans !'enseignement technologique à base de projets, de situations
problèmes concrètes avant toute formalisation.
(/) La simulation informatique, méthode relativement nouvelle, est abondamment utilisée pour
<lJ
0 la résolution de problèmes. Il en est de même des méthodes de calcul informatisées comme
'
>
w l'usage des tableurs qui, révolutionnant aujourd'hui notre société, doivent inévitablement
<;j"
T"-l avoir un impact sur nos méthodes d'enseignement.
0
N
De même, la démonstration, si prisée en sciences physiques, n'est pas systématique dans le
@
déroulé de cet ouvrage. Il faut parfois savoir admettre, pour l'utiliser, une loi, qui, de par son
.µ
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Ol ancienneté ou son universalité, est bien connue.
ï:::
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Cl. Un certain nombre de méthodes sont rendues obsolètes par l'utilisation de la simulation, du
0
u
calcul conduit à la calculatrice ou à l'ordinateur, et leur place a été réduite dans la présentation
du manuel. Un des buts de cet ouvrage est de stimuler l'intérêt pour la discipline
électrotechnique, relativement ancienne, mais que la recherche et la technologie remettent,
périodiquement, au goût du jour par des besoins nouveaux et de nouvelles applications.
Lélectrotechnique est réellement née en 1870, au moment de la présentation de la génératrice
à courant continu de Zénobe Gramme à l'Académie des sciences de Paris. Cette innovation
techniques'a ppuyait sur les travaux des physiciens, pionniers del' électromagnétisme, comme