Pertes, échauffement et rendement des machines électriques

Électrotechnique

Nous avons déjà vu à la section Notions de mécanique et Thermodynamique que la transformation de l'énergie d'une forme en une autre au moyen d'une machine s'accompagne toujours d'une certaine perte de puissance. Cette perte se produit dans la machine elle-même et donne lieu:

1 . à un échauffement des différentes parties de la ma- chine;

2. à une diminution du rendement de la machine, la puissance débitée par la machine étant inférieure à la puissance qui lui est fournie.

L'étude des phénomènes occasionnant des pertes de puissance est d'un grand intérêt, car elle nous révèle comment ces pertes peuvent être réduites.

Dans cette section, nous analysons les pertes dans les machines à c.c., mais les mêmes remarques s'appliquent à la plupart des machines à courant alternatif.

Les machines électriques peuvent être classées en deux groupes: celles qui comprennent des parties tournantes (moteurs, génératrices) et celles qui n'en ont pas (transformateurs, réactances) .

Des pertes électriques et mécaniques sont produites dans les machines tournantes;

dans les machines fixes, seules les pertes électriques sont produites.

Pertes mécaniques

Les pertes mécaniques proviennent:

1. du frottement dans les paliers ;

2. du frottement des balais sur le collecteur ou sur les bagues;

3 . du frottement de l'air sur l'induit et sur le ventilateur destiné au refroidissement de la machine.

Les pertes qui proviennent du frottement du rotor sur des organes fixes (paliers, balais) contribuent à l'échauffement de la machine. Plus la machine tourne vite, plus les pertes mécaniques deviennent importantes .

Ces pertes dépendent de nombreux facteurs et il est très difficile de prédire leur valeur. Pour les déterminer avec exactitude, il faut faire des essais sur la machine.

Pertes électriques dans les conducteurs

Les pertes électriques sont divisées en deux catégories: les pertes dans les conducteurs et les pertes dans le fer. Dans les conducteurs, elles sont dues à l'effet Joule.

Elles s'expriment par la formule P = RI², où I est le courant qui parcourt l'enroulement de résistance R. Ces pertes se manifestent par la chaleur qui se dégage des conducteurs.

Dans le cas des moteurs et des génératrices, les pertes ont lieu dans l'enroulement de l'induit, dans les enroulements inducteurs (shunt et série), dans les balais, dans le rhéostat d'excitation et dans l'enroulement des pôles de commutation.

Au lieu d'utiliser la formule P = RI², il est parfois plus commode de calculer les pertes d'après la masse des conducteurs.

Les pertes massiques sont donnés par la formule:

    (29-1)

où

P_mc = pertes massiques des conducteurs [W/kg]

 J = densité de courant dans les conducteurs [A/cm2]

ρ = résistivité du conducteur [nQ.m]

 ς = masse volumique du conducteur [kg/m³]

10 = constante tenant compte des unités

On constate que les pertes par unité de masse sont proportionnelles au carré de la densité de courant dans le conducteur.

 Comme ordre de grandeur, on utilise des densités variant de 150 A/cm² à 600 A/cm² pour les conducteurs en cuivre.

Les pertes correspondantes varient alors d'environ 5 W/kg jusqu' à 80 W/kg.

Les densités élevées requièrent un bon refroidissement pour éviter les températures excessives. La faible résistance des balais produit des pertes Joule négligeables comparativement aux pertes électriques occasionnées par la chute de tension entre le balai et le collecteur.

Cette chute varie ordinairement de 0,8 à 1,3 volts, selon le type de balai utilisé et la pression appliquée.

Dans les balais en carbone, on utilise des densités de courant beaucoup plus faibles que dans le cuivre, soit environ 10 A/cm² (Fig. 29-1).

Figure 29-1 Comparaison des densités de courant utilisées dans les conducteurs en cuivre et dans les balais

Exemple 29-1