Cours Universitaire

Cours d'électrotechnique

Cours d'électronique de puissance

Avec exercices et problèmes corrigés

Niveau : Terminale STI (Discipline : Physique Appliquée) / BTS / IUT

Ce cours d'électrotechnique est constitué de deux parties :

• 1ère partie : cours sur les machines électriques
  • Chapitre 1 - Machine à courant continu
  • Chapitre 2 - Puissances électriques en régime sinusoïdal
  • Chapitre 3 - Systèmes triphasés
  • Chapitre 4 - Puissances et harmoniques
  • Chapitre 5 - Transformateur en régime sinusoïdal
  • Chapitre 6 - Champ magnétique tournant
  • Chapitre 7 - Machine synchrone triphasée
  • Chapitre 8 - Machine asynchrone triphasée

• 2ème partie : cours d'électronique de puissance
  • Introduction
  • Chapitre 1 - Montages redresseurs
  • Chapitre 2 - Les hacheurs
  • Chapitre 3 - Les onduleurs autonomes
  • Chapitre 4 - Les gradateurs

• Annexe
  • Histoire de l'électrotechnique
  • Sujet et corrigé de l'épreuve de Physique Appliquée du Bac STI Génie Electrotechnique 2008
  • Sujet et corrigé de l'épreuve de Physique Appliquée du Bac STI Génie Mécanique 2008
  • Sujet et corrigé de l'épreuve de Physique Appliquée du BTS Mécanique et Automatismes Industriels 2008

1ère partie : Cours sur les machines électriques

Chapitre 1 - Machine à courant continu 647 ko

• 1- Constitution
  • 1-1- L'inducteur
  • 1-2- L'induit
  • 1-3- Le collecteur et les balais
• 2- Principe de fonctionnement
  • 2-1- Fonctionnement en moteur
  • 2-2- Fonctionnement en génératrice
• 3- Schéma électrique équivalent
  • 3-1- Expression de la fem induite
  • 3-2- Expression du couple électromagnétique
  • 3-3- Conversion de puissance
  • 3-4- Flux magnétique crée sous un pôle
  • 3-5- Schéma équivalent de l'induit
• 4- Les différents types de machines à courant continu
• 5- Moteur à excitation indépendante
• 6- Moteur série
• 7- Génératrice à courant continu (dynamo)
• 15 exercices corrigés sur la machine à courant continu 128 ko
• Annexe 1 : Torque, convertisseur vitesse de rotation / couple mécanique / puissance mécanique 385 ko

 

• Annexe 2 : MCC, simulation du fonctionnement d'un moteur à courant continu 693 ko
  • Choix entre 3 types d'excitation :
    • excitation indépendante
    • excitation shunt (dérivation)
    • aimants permanents

 

• Annexe 3 : simulation avec Excel du démarrage d'un moteur à courant continu à excitation constante
  • Mots clés : système du premier ordre, échelon de tension, vitesse de rotation, régime transitoire, constante de temps mécanique, rhéostat de démarrage, charge mécanique inertielle, moment d'inertie, courant de démarrage
  • Télécharger la feuille Excel 109 ko
    • Exemple :

   

   

 

• Annexe 4 : simulation avec Excel du démarrage d'un moteur à courant continu à excitation constante, avec rampe d'accélération
  • Mots clés : système du premier ordre, échelon de courant, vitesse de rotation, régime transitoire, constante de temps mécanique, charge mécanique inertielle, moment d'inertie
  • Télécharger la feuille Excel 79 ko
    • Exemple :

 

 

Chapitre 2 - Puissances électriques en régime sinusoïdal 100 ko

• 1- Puissances active, réactive et apparente
• 2- Vecteurs de Fresnel et puissances
• 3- Nombres complexes et puissances
• 4- Théorème de Boucherot
• 5- Facteur de puissance
• 5 exercices corrigés sur le régime monophasé 102 ko

 

Chapitre 3 - Systèmes triphasés 534 ko

• 1- Monophasé et triphasé
• 2- Système triphasé
• 3- Récepteurs triphasés équilibrés
  • 3-1- Couplage étoile
  • 3-2- Couplage triangle
• 4- Puissances en régime triphasé équilibré
• 3 exercices corrigés sur le régime triphasé 29 ko

 

 

N.B. Cet oscillogramme a été créé avec l'application SimOscillo.

 

• • Annexe 1 : Mesure de puissances en triphasé
    • Méthode des deux wattmètres 330 ko
  • Annexe 2 :
    • PQS, la calculette de l'Electrotechnicien 465 ko

     

   

 

Chapitre 4 - Puissances et harmoniques (niveau BTS / IUT) 279 ko

• I- Définitions
  • I-1- Décomposition en série de Fourier
  • I-2- Valeur efficace (True RMS)
  • I-3- Valeur efficace des harmoniques
  • I-4- Taux de distorsion harmonique THD
  • I-5- Puissance apparente S (en VA) de la charge
  • I-6- Puissance active P (en watts) consommée par la charge
  • I-7- Puissance réactive Q (en vars) consommée par la charge
  • I-8- Facteur de puissance PF (Power Factor)
  • I-9- Facteur de déplacement DPF (Displacement Power Factor)
  • I-10- Puissance déformante D
• II- Cas d’une tension alternative purement sinusoïdale qui alimente un dipôle linéaire
• III- Cas d’une tension alternative purement sinusoïdale qui alimente un dipôle non linéaire
• IV- Cas d’une tension non sinusoïdale
• V- Mesures sur des ampoules basses consommations avec l'analyseur de puissances CA8220 (Chauvin Arnoux)
• Bibliographie
• Annexe : Extrait de la norme CEI 61000-2-2 : Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites basse fréquence sur les réseaux publics d'alimentation basse tension

 

• Annexe 1 : synthèse, avec Excel, d'une tension à partir de ses harmoniques (limité aux 19 premiers harmoniques)
  • Télécharger la feuille Excel 446 ko
    • Exemple : reconstitution d'un créneau à partir de ses 19 premiers harmoniques

 

 

• Annexe 2 : synthèse, avec Excel, d'une tension rectangulaire à partir de ses harmoniques (limité aux 50 premiers harmoniques)
• Télécharger la feuille Excel 453 ko
  • Exemple : spectre fréquentiel d'un signal rectangulaire de rapport cyclique 20 %. On notera l'absence de l'harmonique de rang 5 et de ses multiples. Le taux de distorsion harmonique est : THD = 113 %.

   

 

 

• Lien utile : synthèse d'un son (au format .wav) à partir de ses harmoniques

   

• Annexe 3 : Etude des harmoniques du courant dans le neutre (niveau BTS / IUT)
  • • Mots clés : triphasé, couplage étoile, charge équilibrée, charge déformante, taux de distorsion harmonique, facteur de crête, puissance déformante, décomposition en série de Fourier, spectre de fréquence
    • Télécharger la feuille Excel 175 ko
      • Exemple : Moteur asynchrone triphasé à cage d'écureuil (Leroy Somer, p = 2 , puissance utile nominale = 1,5 kW) ; fonctionnement à vide ; couplage étoile avec neutre ; alimentation par réseau triphasé 230 V / 400 V 50 Hz. Pour simplifier, on a supposé que le réseau et le moteur sont parfaitement équilibrés. Le taux de distorsion harmonique des courants de ligne est : THD = 20 %. La fréquence du courant dans le neutre est 150 Hz (3ème harmonique).

 

 

•  

 

• On notera que le courant de neutre ne contient que des harmoniques de rang impair et multiple de 3 (3, 9, 15...).

Chapitre 5 - Transformateur en régime sinusoïdal 308 ko

• 1- Introduction
• 2- Transformateur parfait
• 3- Transformateur réel
• 4- Schéma équivalent : diagramme de Kapp
• 5- Chute de tension en charge
• 6- Bilan de puissance
• 7- Transformateur triphasé
• 9 exercices corrigés sur le transformateur 92 ko

• QCM Transformateur monophasé

• • Annexe : Transfo, simulation d'un transformateur monophasé ou triphasé 897 ko

 

Chapitre 6 - Champ magnétique tournant 95 ko

• 1- Champ tournant produit par un aimant
• 2- Champ tournant produit par un système triphasé
• 3- Principe de la machine synchrone
• 4- Principe de la machine asynchrone

Chapitre 7 - Machine synchrone triphasée 295 ko

• 1- Constitution
  • 1-1- Rotor
  • 1-2- Stator
• 2- Types de fonctionnement
  • 2-1- Fonctionnement en moteur
  • 2-2- Fonctionnement en génératrice (alternateur)
• 3- Relation entre vitesse de rotation et fréquence des tensions triphasées
• 4- Etude de l'alternateur
  • 4-1- Fonctionnement à vide
  • 4-2- Fonctionnement en charge : diagramme de Behn-Eschenburg
• 5- Bilan de puissance de l'alternateur
• 6- Alternateur monophasé
• 8 exercices corrigés sur l'alternateur 69 ko

 

Chapitre 8 - Machine asynchrone triphasée 423 ko

• 1- Introduction
• 2- Glissement
• 3- Plaque signalétique
• 4- Fonctionnement à vide
• 5- Fonctionnement en charge
• 6- Bilan de puissance du moteur asynchrone
• 10 exercices corrigés sur le moteur asynchrone 85 ko
• QCM n°1 Moteur asynchrone
• QCM n°2 Moteur asynchrone
• Exercice : moteur asynchrone à U/f constant avec le logiciel libre GeoGebra
  • Enoncé 47 ko Corrigé 5 ko

2ème partie : Cours d'électronique de puissance

Chapitre 0 Introduction 99 ko

• 1- Conversion AC/DC
• 2- Conversion DC/DC
• 3- Conversion DC/AC
• 4- Conversion AC/AC

   

Chapitre 1 Montages redresseurs 255 ko

• 1- Redressement non commandé
  • 1-1- Rappel sur la diode
  • 1-2- Pont de Graëtz monophasé (PD2)
  • 1-3- Application : alimentation continue alimentée par le secteur
• 2- Redressement commandé
  • 2-1- Le thyristor (ou SCR : Silicon Controlled Rectifier)
  • 2-2- Pont mixte symétrique monophasé (PD2)
• 6 exercices corrigés sur le redressement 154 ko

• QCM en ligne sur le pont de diodes PD2
• QCM en ligne sur le pont PD2 mixte

• QCM n°1 Pont PD2 tout thyristors

• QCM n°2 Pont PD2 tout thyristors

• Annexe : Simulation avec Excel des ponts PD2
  • Pont PD2 tout diodes (tensions, courants avec charge R ou RL, spectre, facteur de puissance)
  • Pont PD2 mixte (tensions, courants avec charge RLE, spectre, facteur de puissance)
  • Pont PD2 tout thyristors (tensions, courants, charge : machine à courant continu à courant d'induit supposé parfaitement lissé, fem, vitesse de rotation, spectre, facteur de puissance)
  • Pont PD2 tout thyristors (tensions, courants avec charge RLE, fem, vitesse de rotation, spectre, facteur de puissance)
  • Télécharger les feuilles Excel 1286 ko

 

• • • Exemple n°1 : pont PD2 tout diodes avec charge inductive 100 ohms 1 henry

 

 

 

• • • Exemple n°2 : pont PD2 tout thyristors avec angle de retard à l'amorçage de 60°

 

 

 

Chapitre 2 Les hacheurs 122 ko

• 1- Principe du hacheur série
• 2- Application à la commande d'un moteur à courant continu
• Animations gif
• 4 exercices corrigés sur le hacheur 82 ko
• QCM Hacheur série
• Annexe : simulation avec Excel d'un hacheur série (tensions, courants avec charge RLE, moteur à courant continu, fem, vitesse de rotation)
  • Télécharger la feuille Excel 388 ko
    • Exemple : hacheur série avec rapport cyclique de 60 %

   

   

 

Chapitre 3 Les onduleurs autonomes 134 ko

• 1- Principe de l'onduleur autonome en pont monophasé
  • 1-1- Commande symétrique
  • 1-2- Commande décalée
• 2- Réalisation pratique
• Animations gif
• 2 exercices corrigés sur l'onduleur autonome 32 ko
• QCM Onduleur autonome

• Annexe : simulation avec Excel d'un onduleur monophasé à deux transistors (commande symétrique, tensions, courants avec charge RL, harmoniques, spectres, facteur de puissance)
• Télécharger la feuille Excel 332 ko
  • Exemple : onduleur avec charge inductive 100 ohms 1 henry, sources de tension 30 V, fréquence 50 Hz

 

• Annexe : simulation avec Excel d'un onduleur monophasé à quatre transistors (commande symétrique, commande décalée, tensions, courants avec charge RL, harmoniques, spectres, facteur de puissance)
• Télécharger la feuille Excel 535 ko

• • Exemple : onduleur avec charge inductive 100 ohms 0,5 henry, source de tension 30 V, fréquence 50 Hz, commande décalée 4 ms

 

Chapitre 4 Les gradateurs 105 ko

• 1- Gradateur monophasé
• 2- Application à la commande de chauffage d'un radiateur
• Annexe : simulation avec Excel d'un gradateur monophasé
  • Mots clés : gradateur avec charge résistive, chronogrammes des tensions et courants, taux de distorsion harmonique, décomposition en série de Fourier, harmoniques, spectre de fréquence, facteur de puissance
  • Télécharger la feuille Excel 209 ko

   

 

 

Bibliographie

Niveau bac STI :

• Physique appliquée ; Terminale STI Génie électrotechnique ; J.M. Delva J. Leclercq R. Trannoy ; Editions Hachette
• Physique appliquée ; Terminale STI Génie électrotechnique ; J. Lafargue R. Le Goff T. Lecourieux ; Editions Nathan
• Machines électriques ; Terminale F3 ; Jean Niard ; Editions Nathan

Niveau BTS / DUT :

• Electrotechnique ; Théodore Wildi & Gilbert Sybille ; Editions de Boeck

  (remarquable ouvrage québécois de 1200 pages)

• Les cahiers techniques de Schneider Electric

Niveau master, écoles d'ingénieurs :

• Electrotechnique industrielle ; Guy Séguier & Francis Notelet ; Editions Tec & Doc
• L'électronique de puissance : Les fonctions de base et leurs principales applications ; Guy Séguier ; Editions Dunod
• Cours d'électrotechnique 1. Machines tournantes à courants alternatifs ; Jean-Louis Dalmasso ; Editions Belin
• Cours d'électrotechnique 2. Traitement de l'énergie électrique (convertisseurs statiques) ; Jean-Louis Dalmasso ; Editions Belin

Liens utiles

• http://www.abcelectronique.com