★ À maîtriser
📌 Dans un matériau ferromagnétique, le champ magnétique H crée une induction magnétique B liée par , où μ est la perméabilité magnétique du matériau.
📌 Le théorème d’Ampère énonce que la circulation de H sur un contour fermé est égale à la somme algébrique des forces magnétomotrices traversant une surface appuyée sur ce contour, soit .
📐 Formule - Pour une portion de circuit magnétique de longueur l et de section S, la réluctance vaut et la relation d’Hopkinson s’écrit .
📐 Formule - La force de Laplace exercée sur un conducteur de longueur l parcouru par un courant I dans un champ B faisant un angle α avec le courant vaut .
📐 Formule - La loi de Faraday donne la force électromotrice induite dans un circuit de N spires par .
Compléments
📐 Formule - La perméabilité relative est définie par , avec pour le vide.
Les perméabilités indiquées sont de 10 000 pour le fer, de 40 000 à 50 000 pour l’acier et de 3 500 pour l’acier au cobalt.
Pour déterminer la force magnétomotrice algébrique, on choisit le sens du contour pour fixer la normale à la surface, puis on compte positifs les courants dans le sens de cette normale et négatifs les autres.
L’analogie associe :
📌 Le sens de la force de Laplace est déterminé par la règle des trois doigts.
📌 Selon la loi de Lenz, le courant induit prend un sens tel que ses effets magnétiques s’opposent à la cause qui l’a produit.
★ À maîtriser
📐 Formule - L’équation électrique de la bobine est .
📐 Formule - La formule de Boucherot donne la tension efficace .
Compléments
📌 Le flux traversant la bobine est la somme du flux circulant dans le circuit magnétique et du flux de fuite, soit .
📐 Formule - L’inductance de fuite de la bobine vérifie et la réluctance de fuite vérifie .
📐 Formule - Dans le schéma équivalent, la résistance fictive représentant les pertes fer vérifie et la réactance magnétisante vérifie .
La tension alternative fait varier le flux, ce qui induit une f.é.m.
★ À maîtriser
Un transformateur monophasé comprend un circuit magnétique fermé, de grande perméabilité et feuilleté, un enroulement primaire de N₁ spires relié à la source et un ou plusieurs enroulements secondaires de N₂ spires alimentant la charge.
La tension alternative appliquée au primaire crée un flux magnétique alternatif qui traverse le secondaire et y produit une force électromotrice induite par la loi de Faraday.
Le transformateur parfait est supposé sans pertes Joule, sans flux de fuite et doté d’un circuit magnétique parfait de perméabilité infinie.
📐 Formule - Pour le transformateur parfait, le rapport de transformation est et le rapport des tensions vaut .
📐 Formule - Pour un transformateur parfait, les courants vérifient .
Compléments
Les enroulements primaire et secondaire sont isolés électriquement mais couplés magnétiquement ; le primaire fonctionne en récepteur et le secondaire en générateur.
Le transformateur est élévateur si m>1, abaisseur si m<1 et utilisé comme isolateur si m=1.
Pour ramener une impédance du secondaire au primaire, on la divise par m² ; pour la ramener du primaire au secondaire, on la multiplie par m².
Primaire récepteur, secondaire générateur
★ À maîtriser
📐 Formule - À vide, la force magnétomotrice est N₁I₀ ; en charge, N₁I₁+N₂I₂ crée le même flux, d’où .
📌 L’approximation de Kapp consiste à négliger le courant à vide I₀ devant le courant nominal primaire I₁n, ce qui revient à débrancher l’impédance magnétisante Rm//jXm.
📐 Formule - La chute de tension relative du transformateur est .
📐 Formule - La chute de tension algébrique s’écrit .
📐 Formule - La puissance absorbée au primaire vérifie .
📐 Formule - La puissance utile au secondaire vérifie .
📐 Formule - Le rendement du transformateur est .
📐 Formule - Le courant secondaire optimal correspondant au rendement maximal est .
Compléments
📐 Formule - Les inductances de fuite sont au primaire et au secondaire.
📐 Formule - Au primaire, la tension du transformateur réel vérifie .
📐 Formule - Au secondaire, la force électromotrice vérifie .
📐 Formule - Dans le schéma ramené au secondaire, la résistance série équivalente est et la réactance série est .
📐 Formule - Avec l’approximation de Kapp, la tension secondaire vérifie .
★ À maîtriser
📌 Si la charge exige un neutre, le secondaire doit être couplé en étoile ou en zigzag.
📌 Si le courant de déséquilibre dans le neutre dépasse 0,1 fois le courant nominal, le secondaire doit être couplé en zigzag.
📐 Formule - L’indice horaire vérifie .
📐 Formule - Le rapport de transformation triphasé à vide est et dépend des nombres de spires et du couplage.
🔄 La méthode du transformateur colonne suit ces étapes :
La méthode des dipôles équivalents de Thévenin reste applicable même si le couplage est inconnu, en utilisant les données par phase.
📐 Formule - Pour deux transformateurs en parallèle, les équations secondaires donnent .
En parallèle, le transformateur qui possède la plus faible impédance secondaire débite le courant le plus fort.
Les conditions nécessaires sont :
Compléments
Les bornes primaires sont repérées par les majuscules A, B, C et les bornes secondaires par les minuscules a, b, c; les bornes portant la même lettre sont homologues.
Le circuit magnétique triphasé comprend trois noyaux fermés par deux culasses, réalisés en tôles magnétiques feuilletées; chaque noyau porte un enroulement primaire et un ou plusieurs enroulements secondaires.
Les six couplages possibles sont :
📌 Côté haute tension, le couplage étoile est avantageux parce qu’il nécessite moins de spires.
★ À maîtriser
Les machines à courant continu sont réversibles et peuvent fonctionner en génératrice, convertissant une puissance mécanique en puissance électrique, ou en moteur, convertissant une puissance électrique en puissance mécanique.
Le collecteur redresse mécaniquement la tension en inversant le contact des lames avec les balais lorsque la polarité du conducteur s’inverse au passage de la ligne de neutre; les balais conservent ainsi leurs polarités.
📐 Formule - La force électromotrice aux bornes de l’induit vaut , avec et .
📐 Formule - Le couple électromagnétique vérifie , avec .
À excitation constante, le couple électromagnétique est proportionnel au courant absorbé par l’induit.
La réaction magnétique de l’induit crée un flux qui s’oppose au flux à vide et entraîne une force électromotrice en charge inférieure à celle à vide.
📐 Formule - En charge, la tension de l’induit vérifie en fonctionnement moteur et en fonctionnement génératrice.
Compléments
📐 Formule - La force électromotrice induite dans le conducteur du disque tournant est , avec .
La force électromotrice induite dans un conducteur tournant est alternative et change de sens lorsque le conducteur passe par la ligne de neutre.
L’augmentation du nombre de conducteurs actifs accroît la force électromotrice, tandis que leur répartition régulière sur la périphérie de l’induit réduit l’ondulation de la tension entre balais.
L’inducteur, parcouru par le courant d’excitation, produit le flux magnétique et porte des pôles alternés nord-sud formés de tôles feuilletées.
L’induit est un ensemble de bobines identiques réparties uniformément autour d’un noyau cylindrique feuilleté, qui tourne entre les pôles de l’inducteur.
Le collecteur est formé de lames de cuivre isolées entre elles par du mica et montées sur l’arbre de la machine sans contact électrique avec celui-ci.
★ À maîtriser
📌 Pour qu’une force électromotrice existe dans une génératrice à courant continu, la machine doit être entraînée en rotation et son inducteur doit être alimenté en continu, sauf s’il utilise des aimants permanents.
📐 Formule - En excitation séparée, le courant d’excitation vaut et la tension d’induit vaut .
📐 Formule - En excitation shunt, les relations de fonctionnement sont pour le circuit inducteur et pour le circuit induit.
À vide, si la fermeture du circuit d’excitation fait augmenter la tension, le courant d’excitation augmente à son tour, ce qui accroît la force électromotrice et amorce la génératrice; si la tension et l’excitation diminuent, la génératrice ne s’amorce pas.
La courbe d’aimantation est indépendante du mode d’excitation et du mode de fonctionnement et se relève de préférence sur une génératrice à excitation séparée.
Dans une génératrice shunt à vide, l’inducteur et l’induit sont connectés en parallèle et la tension à vide vérifie .
Compléments
Les génératrices à courant continu sont largement remplacées par des redresseurs statiques, mais l’étude de leur fonctionnement aide à comprendre le fonctionnement moteur et le freinage par récupération.
Les caractéristiques usuelles d’une génératrice sont la caractéristique à vide à vitesse fixe, la caractéristique en charge à vitesse et excitation constantes, et la caractéristique de réglage à tension et vitesse constantes.
La caractéristique à vide d’une génératrice est à vitesse de rotation constante; on fait varier le courant d’excitation à vide et on relève la tension d’induit.
À excitation nulle, la génératrice séparée conserve une force électromotrice rémanente , inférieure à sa tension nominale.
Pour de faibles courants d’excitation, le circuit magnétique n’est pas saturé, le flux est proportionnel au courant d’excitation et la caractéristique à vide est linéaire.
À forte excitation, le circuit magnétique se sature, l’accroissement de la force électromotrice ralentit et, à saturation, la force électromotrice à vide reste constante malgré l’augmentation de l’excitation.
📐 Formule - À excitation identique, les forces électromotrices à deux vitesses vérifient .
📐 Formule - En génératrice séparée, la tension en charge vérifie .
Charge accrue → tension diminuée → excitation à augmenter.
📌 La caractéristique en charge d’une génératrice shunt est plus tombante que celle d’une génératrice à excitation séparée, car le courant d’excitation shunt n’est pas constant.
Charge accrue → tension et excitation diminuent
★ À maîtriser
Au démarrage d’un moteur à excitation indépendante, la force contre-électromotrice est nulle et le courant vaut ; un démarrage à tension réduite donne .
Si la tension d’alimentation est constante, on limite le courant de démarrage d’un moteur indépendant en insérant en série avec l’induit un rhéostat, progressivement réduit puis éliminé à la vitesse nominale.
📐 Formule - À flux constant, la vitesse en charge d’un moteur indépendant vérifie .
📐 Formule - À flux constant, le couple électromagnétique d’un moteur indépendant est proportionnel au courant d’induit : , avec .
📐 Formule - À flux constant, la vitesse d’un moteur shunt vérifie , avec .
📐 Formule - Pour un moteur shunt, le couple électromagnétique vaut lorsque le flux est constant.
Compléments
À vide, la vitesse d’un moteur indépendant vaut et est approximativement égale à .
Le moteur à excitation indépendante permet de régler la vitesse par la tension d’induit et le couple par le courant d’induit.
📐 Formule - Le courant et le couple de démarrage du moteur shunt vérifient et .
★ À maîtriser
Un moteur série ne doit jamais fonctionner à vide, car sa vitesse peut tendre vers l’infini lorsque le courant tend vers zéro.
Dans un moteur série non saturé, le flux est proportionnel au courant et la vitesse varie de façon hyperbolique ; en régime saturé, le flux est constant et la vitesse diminue linéairement avec le courant.
Dans un moteur série non saturé, le couple varie comme le carré du courant ; en régime saturé, il varie linéairement avec le courant.
Un moteur composé possède deux inducteurs, l’un parcouru par le courant d’excitation et l’autre par le courant d’induit ; leur force magnétomotrice totale peut être additive ou soustractive.
📌 En montage composé additif, le flux et le couple sont supérieurs à ceux d’un moteur à excitation séparée ; en montage soustractif, le couple est inférieur et la vitesse augmente avec le courant.
📌 Le moteur série supporte mieux les surcharges et convient notamment à la traction, tandis que le moteur shunt autorégule sa vitesse et convient aux entraînements à vitesse sensiblement constante.
Compléments
📐 Formule - Pour un moteur composé, le courant fictif d’excitation vérifie , avec .
Série : risque d’emballement à vide ; composé : flux réglé par deux inducteurs
★ À maîtriser
📐 Formule - La force électromotrice efficace d’une phase d’alternateur vaut , où est le facteur de bobinage, le nombre de conducteurs par phase, la fréquence et le flux utile par pôle.
📌 Pour un alternateur en charge, correspond à une réaction transversale, à une réaction longitudinale démagnétisante et à une réaction longitudinale magnétisante.
📐 Formule - Le rendement d’un alternateur est , où la puissance absorbée comprend la puissance mécanique et la puissance nécessaire à l’excitation.
📐 Formule - La vitesse de synchronisme d’un moteur synchrone est .
Compléments
Les trois forces électromotrices induites d’un alternateur triphasé sont déphasées de et sont sinusoïdales lorsque le flux magnétique est sinusoïdal.
La réactance synchrone d’un alternateur non saturé est , où est l’inductance cyclique de Behn-Eschenburg.
Le rendement indirect d’un alternateur se calcule par , avec des pertes mécaniques, des pertes Joule au rotor et au stator, et des pertes fer.
★ À maîtriser
📌 Le rotor à cage comporte des barres conductrices court-circuitées par deux anneaux, tandis que le rotor bobiné porte un enroulement triphasé relié à trois bagues et à des balais.
📐 Formule - Le glissement d’une machine asynchrone vaut .
📌 Au synchronisme, le glissement vaut ; à l’arrêt, il vaut ; en fonctionnement génératrice, il est négatif.
📐 Formule - Le couple électromagnétique est donné par , tandis que le couple utile vaut .
Compléments
📐 Formule - Le champ tournant statorique tourne à la vitesse angulaire .
📐 Formule - La fréquence des courants rotoriques d’une machine asynchrone vaut .
★ À maîtriser
Compléments
Sur le diagramme du cercle, la distance correspondant au glissement est proportionnelle à celui-ci, ce qui permet de lire les glissements par une règle de trois.
Sur le diagramme du cercle, le couple électromagnétique est proportionnel au segment représentant la puissance active absorbée, et le couple de démarrage se lit au point de glissement un.
Essai à vide → rotor calé → cercle → lecture du glissement et du couple
Comparaison des moteurs série et shunt
| Critère | Moteur série | Moteur shunt |
|---|---|---|
| Surcharge | Supporte mieux les surcharges | Appel de courant important sous forte charge |
| Vitesse | Risque d’emballement à vide | Vitesse sensiblement constante |
| Usage cité | Traction électrique | Entraînements à vitesse constante et levage |
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1. Quel rôle joue un circuit magnétique dans un dispositif électromagnétique ?
2. Dans un contour fermé entourant une bobine de spires parcourue par un courant , que précise le théorème d’Ampère au sujet de ?
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Qu’est-ce qu’un circuit magnétique ?
Un volume qui canalise le flux magnétique en refermant les lignes de force, généralement dans un matériau ferromagnétique.
Quelle relation lie à dans un matériau ferromagnétique ?
.
De quoi se compose une bobine à noyau de fer ?
D’un circuit magnétique formé de tôles minces isolées par du vernis et d’une bobine de spires.
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