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Chapitre 9
Q UELQUES
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EXEMPLES DE CONVERTISSEURS ÉLECTROMÉCANIQUES
Activité
1
Situation
Un convertisseur électromécanique est un dispositif qui convertit une forme d'énergie sous une autre forme. La puissance fournie
à l'entrée du convertisseur est appelée puissance absorbée P a et la puissance disponible en sortie du convertisseur est la
puissance utile P u. Le rendement du convertisseur est défini par : η=Pu/Pa.
Travail à faire
Q1. Citer, dans le cas général, les deux modes de fonctionnement d'une machine électrique réversible.
Q2. En mode démarreur, quelle est la nature de l'énergie absorbée ?
Q3. Quel type de conversion réalise un alternateur ? Par quel dispositif est-il entraîné ?
Q4. En mode alternateur, quelle est la nature de l'énergie disponible en sortie du convertisseur ?
Q5. Déterminer la valeur de la fréquence du système de tension triphasé du document 1.
Q6. Que signifie « un système triphasé de tensions sinusoïdales » (doc 2) ? Quelle est la fréquence de ces tensions ?
Q7. Justifier pourquoi le système tensions de l'alternateur est nettement supérieur à 50 Hz ?
Q8. Techniquement, il est possible de créer des tensions de fréquence très élevées. Expliquer la limite imposée ici.
Q9. Pourrait-on transposer ce système dans le réseau terrestre ?
Q10. Quel type de conversion réalise le moteur à continu utilisé pour la pompe à kérosène ?
Q11. Que vaut le rendement du moteur utilisé pour le THSA ?
Document 1
Documents
Le système Stop & start : alterno-démarreur
Le système Stop & start est un dispositif d'arrêt et de redémarrage
automatique d'un moteur automobile qui permet de réaliser des
économies d'énergie. Dès que la vitesse atteinte est inférieur à 6 km/h, le
moteur se met en veille et le reste tant que la pédale de frein est
enfoncée. Dès que celle-ci est relâchée, le moteur redémarre
automatiquement. Lorsque l'accélérateur est à nouveau sollicité,
l'embrayage se referme progressivement. On a alors une absence totale de
bruit et d'émissions polluantes lorsque le véhicule est à l'arrêt.
L'alterno-démarreur cumule les fonctions d'alternateur et de démarreur
en une seule machine contrôlée électroniquement :
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•
il alimente le véhicule en énergie électrique et recharge la batterie
en roulant ;
•
il démarre le moteur thermique à l'arrêt.
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Document 2
Convertisseurs électromécaniques dans un avion
 Alternateurs principaux
Chaque alternateur génère un système triphasé de
tensions sinusoïdales de fréquence 400 Hz avec :
Pa=160kW et Pu=150 kW.
 Pompe à kérosène
Elle est réalisée avec un moteur à courant continu
qui a une vitesse de rotation de 8500 Tr.min-1
avec Pa=243 W et Pu=180 W.
 Actionneur stabilisateur horizontal
Document 3
Cet actionneur est appelé THSA (Trimmble Horizontal Stabilizer Actuator). Il a pour fonction d'assurer le positionnement
angulaire du plan horizontal arrière. Il utilise un moteur à courant continu qui a une vitesse de rotation de 12000 tr.min-1
avec : Pa=6,2 kW et Pu=5,3 kW.
Système électrique d'un avion
Le système électrique dans un avion est un exemple de compromis cherchant la solution optimale.
Les premiers avions n'ont évidemment pas eu besoin d'énergie électrique car ils ne disposaient pas de matériels
électriques. Tout a commencé à changer dans les années 1920, quand les avions embarquaient des radios et des
instruments de navigation, radios alimentées par le courant continu (DC) fourni par des batteries. Plus tard, des progrès ont
conduit à l'élaboration de petits générateurs de courant continu, généralement sous une tension de 28 volts. Aujourd'hui,
seuls les petits aéronefs de l'aviation civile ont tendance à utiliser les circuits électriques DC.
Dès le début de l'ère du jet, les avions ont été de plus en plus complexes et
commençaient à embarquer une vaste gamme d'appareils électriques. Les
avions militaires modernes sont équipés de puissants radars, de capteurs, de
systèmes d'armement et un appareillage du cockpit sophistiqué exigeant de
grandes quantités d'électricité. Les avions de ligne , quant à eux, doivent
aussi fournir de l'énergie pour les systèmes embarqués tels que:
l'équipement du cuisine, les écrans du poste de pilotage, les engins de la
communication, les radars météorologiques, les instruments de vol, les
actionneurs, les appareils de chauffage, de l'avionique et l'éclairage
interne/externe. Les alimentations continues (DC) sont insuffisantes pour
répondre à une telle demande en électricité. Ces avions utilisent ainsi les
source à courant alternatif (AC) qui fournissent habituellement de 115 volts
à 400 hertz.
L'avantage des alternateurs à haute fréquence est qu'ils nécessitent moins
de bobines en cuivre afin de générer le courant électrique nécessaire. Cette
réduction de matière permet à l'alternateur de devenir beaucoup plus petit
et plus léger qu'un générateur similaire sous 50Hz.
Une règle de base dans la conception d'avion énonce que la suppression d'un kilogramme d'élément embarqué peut
réduire le poids global d'au moins cinq kilo grâce à toute la structure supplémentaire et du carburant nécessaire
économisés. Cette réduction de poids implique que l'avion est plus sobre en carburant.
Alors pourquoi 400Hz et pas plus? A partir de cette fréquence, le gain de poids est minime et de plus on augmente les
pertes par hystérésis et courant de Foucault (pertes sous forme thermique).
De plus, les applications à 400 Hz ont en général une puissance de quelques centaines de kW, et présentent des courants
de court-circuit relativement faibles, atteignant rarement 4 fois l'intensité nominale
En revanche, à 400 Hz, les systèmes sont plus susceptibles de souffrir de chutes de tension principalement associées à des
pertes réactives. Ces pertes réactives sont dues aux propriétés inductives des câbles ou des fils conducteurs à travers
laquelle le courant électrique est transmis. Ce type de perte est affecté à la fois par la longueur du conducteur et par la
fréquence de la puissance qui le traverse. A une fréquence de 400 Hz, les pertes réactives peuvent être jusqu'à sept fois
plus grandes qu'à 50 Hz.
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