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24 Pages·2015·0.37 MB·French

by  Christophe Palermo

Christophe Palermo
Électrotechnique
Uneautreversiondecetouvrageexiste
danslacollection«SciencesSup»
Illustrationdecouverture:Theromb-Fotolia.fr
Nouveautiragecorrigé,2015
©
Dunod,2012
5rueLaromiguière,75005Paris
www.dunod.com
ISBN978-2-10-057607-4
T
ABLE DES MATIÈRES
Chapitre1. Notionsfondamentales 1
1.1 Notionsd’électromagnétisme 1
1.2 Notionsd’électricité 22
1.3 Énergieetpuissance 43
1.4 Machinesélectriquestournantes 54
Chapitre2. Lamachineàcourantcontinu 71
2.1 Généralités 71
2.2 Principedefonctionnement 71
2.3 Technologiedelamachineàcourantcontinu 78
2.4 Fonctionnementdelamachineàcourantcontinu 81
2.5 Avantagesetinconvénientsdelamachineàcourant continu 110
Problèmes 113
Corrigés 117
Chapitre3. Letransformateurmonophasé 125
3.1 Généralitéssurletransformateur 125
3.2 Letransformateurparfait(ouidéal) 135
3.3 Letransformateurréel 141
3.4 Bilanénergétiqueetrendement 149
Problèmes 153
Corrigés 154
Chapitre4. Systèmestriphaséséquilibrés 159
4.1 Généralités 159
4.2 Systèmestriphaséséquilibrés 162
4.3 Couplagedesrécepteurstriphasés 167
4.4 Lespuissancesdanslesrécepteurstriphasés 179
4.5 Productionetdistributiondecourantstriphasés 192
délit. Problèmes 198
n
u Corrigés 201
est
orisée Chapitre5. L’alternateur synchrone 207
ut
a
n 5.1 Présentation 207
o
n
n 5.2 Principedefonctionnement 208
o
ucti 5.3 Technologiedel’alternateursynchrone 211
d
pro 5.4 Fonctionnementdel’alternateursynchrone 215
utere 5.5 Alternateurenproduction 228
To 5.6 Fonctionnementenmoteur 233
nod. Problèmes 236
u
D Corrigés 238
©
III
Précisd’électronique
Chapitre6. Lemoteurasynchrone 243
6.1 Caractéristiquesdumoteurasynchrone 243
6.2 Lemoteurasynchronetriphaséenfonctionnement 248
6.3 Freinagedumoteurasynchrone 258
6.4 Aperçudumoteurasynchronemonophasé 260
Problèmes 264
Corrigés 265
Chapitre7. Élémentsdesécuritéélectrique 269
7.1 Leréseaupublic 269
7.2 Lescausesdurisqueélectrique 272
7.3 Risquesetprotectiondesmatériels 273
7.4 Risquesetprotectiondespersonnes 277
7.5 Risquedenon-disponibilitédel’énergie 288
Problèmes 289
Corrigés 289
Index 293
IV
1
N
OTIONS
FONDAMENTALES
La maîtrise de l’énergie constitue un enjeu tous les jours plus important. Quand on
parled’énergieetquel’onseprojettedansl’avenir,ilnefautpaslongtempspourque
l’énergie électrique nous vienne àl’idée. Pourtant, l’électricité n’est pas ce que l’on
appelleuneénergieprimaire:iln’existepasdegisementd’énergieélectriqueet,pour
endisposer,ilfautlaproduire,ouplutôtlaconvertiràpartird’unesourcemécanique,
chimique ou lumineuse par exemple. De même, on n’utilise pas l’énergie électrique
directement. Laseule présence d’un courant nepermet pas dechauffer une pièce ou
de déplacer une charge. Mais parallèlement à cela, l’électricité constitue le meilleur
vecteur énergétique connu. EnFrance, chaque jour, unréseau d’environ 100000km
constitué de câbles conducteurs dont la section ne dépasse pas 10 cm2 transporte la
même quantité d’énergie que des milliers de citernes de fioul, en un clin d’oeil, et
sansquepersonne n’aitbesoindesedéplacer.
Le domaine des sciences et techniques qui traite l’ensemble des applications de
l’électricité en tant qu’énergie, depuis la production jusqu’à l’utilisation, en passant
parletransportetladistribution, s’appellel’électrotechniqueetconstituelesujetde
cetouvrage.Moteurs,alternateurs,génératrices, machinestournantes,lignesàhaute-
tensionetautrestransformateurs fontpartiedesonvocabulaire. Parmilesdisciplines
qu’il met en jeu, nous porterons une attention particulière à l’électromagnétisme,
l’électricité et la mécanique. Nous proposons dans ce chapitre d’aborder différentes
notionsquinouspermettrontdedécrireetdecomprendre lesthèmesabordés.
1.1 NOTIONS D’ÉLECTROMAGNÉTISME
Lesphénomènesélectromagnétiquesconstituentlaclédevoûtedelaproductionetde
la conversion de l’énergie électrique. Pour comprendre toute leur importance, nous
délit. endonnons quelques notionsdanscettesection.
n
u
est
orisée 1.1.1 Observations préalables : les aimants
ut
a Lesaimantssontvieuxcommelemonde,etcettefacultéqu’alapierredeMagnésie,
n
o
n
n quiadonnésonnomaumagnétisme,depointerdansladirectiondunord,estconnue
o
ucti des hommes depuis près de 10 siècles. Les enfants voient en eux les sources d’une
d
o
repr force mystérieuse : qui n’a pas été intrigué dès son plus jeune âge par ces objets
ute capables des’accrocher sur les réfrigérateurs, d’attirer des trombones, des’attirer et
To
d. de se repousser entre eux, mais qui restent de marbre devant le plastique, le bois, le
o
n
u
D verre, et même certains conducteurs tels que l’aluminium? La figure 1.1 dresse un
©
1
Chapitre1 • Notionsfondamentales
1 2 3 4 5 6 7
verre
trombone
aimant
Figure 1.1–Observationspossiblesavecdesaimants,destrombonesetdesverres.La
descriptionestdonnéedansletexte.
panorama succinct de ce qu’un physicien en herbe peut observer en jouant avec des
aimants,etnousendonnons ci-après ladescription etquelques interprétations.
1. En plaçant deux aimants dans une certaine configuration, on observe qu’ils
s’attirent puis se collent l’un à l’autre en choisissant un alignement qu’il est
impossibledeleurimposer.Lorsquelesaimantssontlourds,ilpeutmêmeêtre
difficiledelesséparer.
2. Si l’on retourne l’un des deux aimants, les deux aimants qui dans un premier
temps s’attiraient se repoussent maintenant. Il est d’autant plus difficile de les
contraindre à se toucher que les aimants sont lourds. On définit alors deux
pôles : le pôle nord et le pôle sud1. Deux pôles différents s’attirent alors que
deuxpôlesdemêmenatureserepoussent.
Sionleurenlaisselapossibilité,lesaimantsquiserepoussentvontseposition-
ner différemment, choisissant une configuration semblable à celle du point 1
avantdesecollerpardeuxpôlesdedifférentsnatures.
3. Sil’onapprocheunaimantd’untrombone,quelquesoitlepôleprésenté,alors
l’aimantattireletrombone, quisecolleàlui.
1.Lechoixdunomdespôlesestdûauxboussoles,premièreapplicationdesaimants.
2
1.1. Notionsd’électromagnétisme
4. Letrombone, attiréetcolléàl’aimantaupoint3,alafacultéd’attirer unautre
trombone. L’aimantation est donc transmise au trombone, et il a à son tour la
possibilité delatransmettre àunautretrombone. Toutefois:
• lepouvoir d’attraction dudernier trombone accroché diminueàmesureque
lenombredetrombones aimantésaugmente;
• lestrombones ainsi aimantés perdent lafaculté d’attirer d’autres trombones
silecontact avecl’aimantestrompu.
5. D’unepart,deuxtrombones aimantéspardespôlesdifférentss’attirent...
6. ... et d’autre part, deux trombones aimantés par des pôles de même nature se
repoussent. L’aimantation s’esttransmiseenconservant lespôles.
7. Lesaimantsn’attirentnileverre,nilepapier,nilebois,nileplastique,nimême
certains métaux conducteurs comme par exemple l’aluminium ou le cuivre.
L’aimantation est donc une propriété de la matière, et l’on peut classer les
matériauxdansdifférentescatégories (voirleparagraphe ddelapage10).
1.1.2 Grandeurs magnétiques
• Observation
Une observation intéressante peut être faite à l’aide d’un aimant et d’une boussole,
comme reporté sur la figure 1.2. Dans cette expérience, l’aimant est beaucoup plus
ligne de champ
boussole
N
délit.
n
u
est
utorisée aimant
a
n
o
n
n
o
ucti
d
o
pr
re
ute
To
od. Figure 1.2–Lignesdechampgénéréesparunaimantmaintenu(cid:192)xe.Lesboussoles,
n
u
D plongéesdanslechampmagnétique,réagissentenconséquenceets’alignent.
©
3
Chapitre1 • Notionsfondamentales
lourdquel’aiguilledelaboussole,quiestparailleurselleaussiunaimant.L’aiguillea
lapossibilitédes’orientersousl’effetdel’aimant.Enrevanche,soneffetsurl’aimant,
dufaitdeladifférenced’échelleetdepoidsentrelesdeuxobjets,estnégligeable:on
nefaitpasbougerl’aimantendéplaçant laboussole.
Onobserveessentiellement deuxchoses:
• Laboussole change d’orientation en fonction de sa position. L’axe de laboussole
décrit des lignes qui vont d’un pôle de l’aimant à l’autre. Il existe donc une force
quicontraintl’aiguille às’aligner, etcetteforcepeutêtreappréhendée àl’aidedes
lignesdécrites.
• Si l’on s’intéresse aux pôles de la boussole, on remarque que, systématiquement,
sonpôlenordpointeverslepôlesuddel’aimantalorsquesonpôlesudpointvers
lepôlenord del’aimant. Toutsepasse donc commesileslignes sortaient dupôle
norddel’aimantpourrentrerdanslepôlesud.
Onpeutmontrer,mêmesicen’estfacilepasàobserverdansl’expérienceenques-
tion,quelesforcesmagnétiquesappliquéessurl’aiguilledelaboussolesontd’autant
plus intenses que les lignes sont resserrées. C’est en effet sur les pôles de l’aimant
quelechampmagnétique estleplusintense.
• Autres expériences possibles
Les phénomènes que nous venons de décrire peuvent aussi être observés avec de la
limaille defer :celle-ci, entombant autour de l’aimant, se magnétise et agit comme
unemultitudedepetitesboussoles.Elledécritexactementlesmêmeslignesquecelles
décritesparlaboussole.Enrevanche,sil’onremplacelalimailledeferpardesfibres
plastiques, on neremarque aucune orientation particulière :l’aimant n’a dans cecas
aucuneffet.
Il existe une force qui impose un alignement aux objets magnétiques. Les carac-
téristiquesdecetteforcemagnétiquedépendent delanaturedesobjetsetdeleurs
positions relatives.
a) Le champ magnétique
• Approche pragmatique
Dansl’expérience(2)delafigure1.1,àconditiond’avoirdesaimantsdetaillescom-
parables,onobservequelesdeuxaimantscherchentàs’orienterpours’alignerdiffé-
remment. Oncomprend alors que tout objet magnétique engendre etsubit les forces
magnétiques. Àpartir delanotion deforces, essayons dedéfinir lanotion dechamp
magnétique. Pourcela,aulienderegarderlesdeuxaimantsindistinctement, choisis-
sons de nous placer dans le référentiel de l’un des deux, de considérer en quelque
4
1.1. Notionsd’électromagnétisme
sorte qu’il fait partie du paysage, et même qu’il le modèle en créant les conditions
qui feront réagir n’importe quel objet magnétique se trouvant à sa portée. C’est ce
que nous avons fait dans l’exemple dela figure 1.2où nous avons considéré comme
négligeables leseffetsdelaboussole surl’aimant :l’aimant aenquelque sorte peint
un tableau de lignes, la boussole ne faisant que s’adapter àces dernières. Ceslignes
nesontdoncpasdeslignesdeforcemaisdeslignesdechamp.Plusprécisément, ce
sontleslignesduchampmagnétique crééparl’aimant.
Lechampmagnétiqueestunegrandeurpermettantdedécrirelesinteractions ma-
gnétiques.Sonutilisationrevientàconsidérerquelasourceduchampestrespon-
sabledel’interaction etquelescibleslasubissent.
Lorsque l’on remplace la boussole par la limaille de fer, le tableau reste le même
et la limaille s’y adapte à son tour en suivant les lignes. Par contre, lorsque l’on
saupoudre le paysage de fibres plastiques, ce dernier ne suit pas les lignes, parce
qu’ilnes’agitpasd’unmatériaumagnétique.
Lecomportement d’unmatériauplongé dansunchampmagnétique dépenddela
naturedumatériau.
• Propriétés du champ magnétique
(cid:2) (cid:2)
Lechampmagnétiqueestunvecteur,notéB.Enunpointdonné, Baladirectionqu’y
(cid:2)
indiquerait l’aiguille d’une boussole, comme indiqué sur la figure 1.3. Le sens de B
(cid:2)
s’obtientalorsenfaisantpointer Bverslenordqu’indiquelaboussole.L’intensitédu
champmagnétique s’exprimeentesla(T)danslesystèmeinternational.
délit.
n
u
est
orisée
ut
a
n
o
n
n
uctio B
d
o
pr
re
ute
To B
d.
o
n
u
D Figure 1.3–Champmagnétiqueetlignedechamp.
©
5
Chapitre1 • Notionsfondamentales
Lanotiondechamps’appliqueaucasdeplusieurssources.Onconsidèrealorsque
toutes ces sources créent les conditions de l’interaction. Le champ magnétique en
toutpointdel’espaceestalorslasommedeschampsmagnétiquesdusauxdifférentes
sources, commeindiqué surlafigure1.4.
2
N
B
1
N 1 M
B B
2
Figure 1.4–ChampmagnétiquecrééaupointM pardeuxaimantspermanents.Le
(cid:2) (cid:2) (cid:2)
champBestlasommevectorielledeschampsB etB créésparlesaimants1et2,
1 2
respectivement.
• Description de l’interaction magnétique
Voyonsàprésentcommentlechampmagnétique permetdeprévoirl’interaction ma-
gnétique. Pourcela, appuyons-nous surlafigure1.5etsupposons qu’un aimant mo-
(cid:2)
bile soit plongé dans un champ magnétique B, comme le montre le volet (a). On
(cid:2)
associe à cet aimant le vecteur champ magnétique b situé dans son axe. Les forces
(cid:2)
magnétiquesagissentalorssurl’aimant(voirvolet(b))afindecontraindrelechampb
(cid:2)
às’aligneraveclechamplocalB(voirvolet(c)).Remarquonsquelesforcesquis’ex-
(cid:2) (cid:2)
primentsontd’autantplusgrandesqueleschamps Betbsontintensesetquel’angle
(cid:2) (cid:2)
entre Betbestimportant.
b b
B B B b
a Etat initial b Expresion des forces c Etat final
Figure 1.5–Expressiondelaforcemagnétiquesurunaimantplongédansunchamp
(cid:2) (cid:2)
magnétiqueB.(a)Onassocieàl’aimantlechampmagnétiqueb.(b)Uncoupledeforces
(cid:2) (cid:2)
magnétiquesagitsurl’aimant(c)a(cid:192)nd’alignerleschampsBetb.
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