Energie Electrique
Ref: 1EL2000
Description
L'énergie électrique est indispensable au fonctionnement et au développement de la société dans toutes les régions du globe. Les progrès continus depuis plus de cent ans ont permis d’intégrer son usage dans de nouveaux secteurs d’activité (transports terrestre, maritime ou aérien, systèmes embarqués, énergies renouvelables, spatial). Aujourd’hui, les objectifs de respect de l’environnement et du développement durable sont aussi des moteurs de l’amélioration des technologies associées à cette énergie et favorisent son déploiement à différents niveaux de puissance.
Le cours d’énergie électrique se propose de donner les méthodes et les outils fondamentaux pour l’analyse des systèmes utilisant l’électricité en tant que vecteur énergétique. Il associe la connaissance de la physique à celle des matériaux magnétiques pour caractériser les éléments constituant les systèmes d’énergie électrique.
Dans un premier temps, le cours précise les enjeux de l’énergie électrique pour le fonctionnement de la société et présente les principaux acteurs. Il montre aussi ses nombreuses interactions avec les différentes disciplines scientifiques.
Il présente ensuite les grandeurs principales, les concepts et les outils nécessaires à l’analyse des systèmes d’énergie électrique et donne des exemples d’application.
Il met l’accent sur le comportement des couplages magnétiques en utilisant l’application de l’électromagnétisme au cas des éléments utilisant des matériaux magnétiques. Le comportement de ces matériaux est analysé pour en établir une modélisation énergétique et préciser les performances selon l’amplitude d’excitation ou la fréquence. La représentation de type circuit magnétique est employée pour le passage de la physique des éléments à leurs modèles.
L’application naturelle de cette partie est l’étude des transformateurs et des systèmes de couplages par induction.
Ensuite, la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique est formalisée par le principe des travaux virtuels basé sur les énergie et coénergie magnétiques pour exprimer les forces et couple produits par les actionneurs et les générateurs.
Une application de la conversion d’énergie électrique en énergie mécanique est proposée avec l’étude de la motorisation à courant continu qui permet de poser les bases de fonctionnement des systèmes de motorisation ou de génération en variation de vitesse.
Période(s) du cours
SG1 et SG3
Prérequis
Aucun
Syllabus
Introduction à l’électrotechnique
Omniprésence de l'électrotechnique : production, transport, conversion, utilisation et contrôle de l'énergie électrique. Caractère multi-physique et aspects économiques.
Transport et utilisation de l'énergie électrique
Monophasé, triphasé, définition et calcul des puissances. Dimensionnement et facteur de puissance.
Bases de la physique pour l’électrotechnique
Électromagnétisme appliqué à l’électrotechnique. Matériaux magnétiques, création et canalisation du champ, aimants permanents. Méthodes de modélisation, circuit magnétique, réluctance, FMM. Prise en compte des pertes de puissance dans les circuits magnétiques.
Principes des couplages magnétiques
Notions de flux commun et de flux de fuites. Inductances de fuites partielles et inductances de fuites totales. Modélisation du couplage magnétique.
Transformateurs monophasé et triphasé : fonction et structure ; transformateur parfait ; modélisation du transformateur réel, mise en œuvre à 50 Hz et influence de la fréquence variable ; réalisation : circuit magnétique, isolants, conducteurs.
Conversion électromécanique
Lien entre énergies électrique, magnétique, et mécanique. Système à partie mobile ; calcul des forces et des couples ; couple de réluctance.
Machine à courant continu
Principe et réalisation. Équations fondamentales. Modes d’excitation. Problèmes de fonctionnement. Principes de la commande en variation de vitesse. Moteur DC Brushless
Composition du cours
Cours Magistraux (CM), travaux dirigés (TD). Pendant la durée des travaux de rénovation du bâtiment Bréguet, des séances de travaux pratiques (TP) seront organisées en fonction de la disponiblité des installations. En raison des capacités d'accueil du laboratoire de travaux pratiques, les TD se déroulent en parallèle des TP.
En conditions de fonctionnement nominales, les activités se répartissent comme suit :
CM 13h30
TD 9h
TP 6h
Ressources
• Equipe enseignante : Martin Hennebel - Michael Kirkpatrick - Romaric Landfried – Mohamed Bensetti
• Taille des TD : 25
• Outils logiciels et nombre de licence nécessaire :
• Salles de TP (département et capacité d’accueil) : Département Systèmes d'Énergie Électrique
L'occurrence 1.1 est enseignée en anglais, les occurrences 1.2, 1.3 et 1.4 sont enseignées en français.
Résultats de l'apprentissage couverts par le cours
A la fin de cet enseignement, l’élève sera capable de :
- Modéliser les dispositifs et matériels électriques basés sur le couplage magnétique
- Faire le choix d'un modèle de comportement adapté (forme intégrale des équations de Maxwell, schéma équivalent de type circuit …)
- Identifier les paramètres de ce modèle à l’aide de données expérimentales et/ou des propriétés géométriques et physiques
- Valider la qualité du modèle
- Prédéfinir un système de transmission d’énergie à courant alternatif (triphasé) avec ses principaux éléments
- Analyser et évaluer une motorisation à base d’actionneurs à courant continu ou alternatif
- Analyser le comportement électrique, magnétique et mécanique de l’actionneur
- Comparer au comportement nominal
- Évaluer les performances et critiquer les résultats obtenus
Support de cours, bibliographie
Polycopié fourni par l’équipe enseignante
Electrical Machines, Drives and Power Systems (Theodore Wildi, Prentice-Hall Intl)
Electrical Machines, Drives and Power Systems (Theodore Wildi, Prentice-Hall Intl)