01 - L'ondulation de vitesse d'un moteur est-elle toujours plus élevée à faible vitesse qu'à grande vitesse ?

 

Non, l'ondulation de vitesse n'est pas forcément plus élevée à faible vitesse qu'à vitesse élevée, mais elle est souvent plus perceptible (5 tr/min d'ondulation autour d'une vitesse moyenne de 10 tr/min est plus perceptible que les mêmes 5 tr/min autours d'une vitesse moyenne de 1000 tr/min). L'ondulation de vitesse dépend du moteur et de son variateur de vitesse (motovariateur). 

L'ondulation W de la vitesse W se déduit du principe fondamental de la dynamique : J.dW/dt=Tem - Trés (voir le livre, chap. VII, pour la définition de ces grandeurs). En notation complexe (étude aux variations en notant w la pulsation des grandeurs sinusoïdales) cela donne J.jw.W=Tem car Trés est considéré constant en régime permanent (Trés=0). On obtient donc l'ondulation de vitesse donnée par W=Tem/(J.jw), d'où l'amplitude de l'ondulation de vitesse donnée par W_max=Tem_max/(J.w) (module des termes de l'équation complexe précédente).

 

Dans le cas des moteurs DC pilotés par des hacheurs à fréquence fixe ou par des redresseurs commandés à la pulsation fixe du réseau d'alimentation, la pulsation w des ondulations (de vitesse ou de couple) est indépendante de la vitesse moyenne du moteur : elle est imposée par la fréquence de commande des interrupteurs électroniques. L'ondulation de couple est proportionnelle à l'ondulation du courant rotorique (dans le cas du moteur DC à excitation constante) : à ondulation de couple Tem_max donnée, on a l'amplitude de l'ondulation de vitesse W_max qui est proportionnelle à l'ondulation de couple Tem_max, et non à la vitesse moyenne <W> du moteur. En d'autres termes, l'ondulation relative W_max/<W> augmente parce que <W> diminue alors que W_max reste fixe : à 5 tr/min d'ondulation autour de 1000 tr/min l'ondulation relative de vitesse vaut 5/1000=0,5 % alors qu'à 50 tr/min la même ondulation de 5 tr/min donne une ondulation relative de 5/50=10 %, ce qui se ressent si on est dans un wagon qui démarre !

 

L'ondulation de vitesse des moteurs à courant alternatif dépend également beaucoup de leur variateur de vitesse (MLI synchrone, MLI asynchrone, MLI à angles calculés, commande 1/3-2/3...). La simulation (avec Psimdemo par exemple) permet de répondre rapidement à cette question.

 

 

 

 

02 - Faut-il toujours un angle de 90° entre le champ rotorique et le champ statorique ?

 

Non, premièrement parce que 90° assure un couple maximal (pour un courant constant ou efficace donné) pour les moteurs électriques à rotor lisse qui possèdent une paire de pôles magnétiques seulement (angle de 90°/p nécessaire pour les machines à p paires de pôles).

Deuxièmement il existe un couple "parasite" dès que le stator est alimenté car le rotor n'est pas lisse : il est parfois à "pôles saillants", et de toute façon, possède des encoches nécessaires pour placer l'enroulement rotorique. Cela implique la présence d'un couple additionnel (algébriquement) appelé "couple réluctant". Cela signifie que le rotor, même non alimenté, bouge naturellement vers la position qui donne une réluctance magnétique minimale vue par les enroulements statoriques quand ces derniers sont alimentés par des courants (principe de fonctionnement des moteurs pas-à-pas à réluctance variable), voire même non alimentés (aimantation permanente due à l'hystérésis des matériaux magnétiques).  Cette présence d'un couple réluctant modifie donc plus ou moins significativement (selon l'importance de l'hystérésis ou de la saillance des pôles) l'angle optimal. Quoi qu'il en soit, en pratique,  l'angle optimal n'est généralement jamais très éloigné de 90°/p.

 

Il faut quand même se méfier lorsqu'on parle de "champ rotorique" et de "champ statorique" : de quoi parle-t-on exactement ? C'est clair pour un moteur à courant continu ou pour un moteur synchrone où les champs sont positionnés par la configuration des courants qui parcourent les enroulements : la configuration des courants, à tout instant, permet de constater que les champs rotorique et statorique sont positionnés à 90° l'un de l'autre (naturellement avec un moteur DC, par pilotage vectoriel avec le moteur synchrone). Ce n'est cependant pas le cas pour la machine asynchrone pilotée vectoriellement où la configuration des courants statoriques Is ne donne pas directement la position du champ statorique responsable du flux "découplé" : en effet, Is crée à la fois le flux statorique et le flux rotorique (les courants induits au rotor sont une conséquence de la composante appelée "composante en quadrature" Iqs). Cette composante en quadrature Iqs des courants statoriques crée le  couple (en réalité la présence du couple n'est pas dissociée de la présence du flux, mais son réglage est découplé du réglage du flux). En d'autres termes, c'est la configuration de Ids qui donne la position du champ statorique, et non pas la configuration de Is (qui est malheureusement le seul courant directement observable avec des capteurs de courant). Le champ rotorique est donné par la configuration de Iqs. Une description plus détaillée et accessible est disponible dans le document gratuit publié par Schneider Electric : les techniques de commande du moteur asynchrone. La commande des moteurs électriques est plus détaillée dans le document disponible sur ce site à la rubrique En savoir plus > En savoir plus sur les moteurs électriques : Variateurs de vitesse : de la structure cascade à la commande vectorielle.

 

 

 

 

03 - Est-ce qu'un transformateur transmet les tensions et courants constants ?

 

Contre toute attente : oui (voir le principe de fonctionnement des alimentations à découpage)...mais il ne les transmet que pendant un certain temps (disons, pour fixer les idées, de l'ordre de quelques dizaines de ms seulement). Les équations de fonctionnement d'un transformateur sont issues des équations de Maxwell (Maxwell-Faraday pour les tensions et Maxwell-Ampère pour les courants). Ces équations sont valables pour tous types de régimes, stationnaires ou  non : elles sont donc valables en particulier pour les composantes continues des tensions et des courants : une tension continue au primaire du transformateur a pour effet de créer un courant (droite ascendante) qui crée un flux F qui lui est initialement proportionnel. Ce flux ascendant F crée alors une tension secondaire U constante (relation de Maxwell-Faraday U = NdF/dt).

Ces équations, valables en régime de tension constante, sont utilisées pour étudier le comportement des transformateurs soumis à des tensions continues furtives (transformateurs des alimentations à  découpage) : en effet, l'application d'une tension constante au primaire ne peut perdurer car le bobinage primaire du transformateur est alors traversé par un courant qui croit linéairement au cours du temps et finit par tendre vers l'infini (excursion limitée, en réalité, par la résistance cuivre de cet enroulement)...la saturation du circuit magnétique accélère d'ailleurs l'augmentation du courant primaire. Il faut donc s'assurer, à terme, que la tension primaire ne possède pas une composante continue trop élevée qui saturerait le circuit magnétique, ce qui est parfois délicat à assurer (c'est un problème rencontré dans la conception des alimentations à découpage où il faut prévoir un dispositif de suppression de composante continue).

En ce qui concerne la transmission du courant continu secondaire au courant primaire (transformateur à l'entrée d'un redresseur par exemple), le transformateur assure également son passage, mais pendant une courte durée seulement : l'inductance magnétisante L du transformateur combinée à la présence de la résistance cuivre R de l'enroulement primaire annule la composante continue (temps de réponse de l'ordre de quelques constantes de temps égale à L/R : voir le document transformateurs monophasés de la rubrique "En savoir plus"). Un courant primaire est donc toujours alternatif en régime permanent, lorsque la source appliquée au primaire est alternative (c'est-à-dire sans composante continue).

Une éventuelle composante continue du courant générée au primaire par une source continue n'est également pas transmise indéfiniment au secondaire : la présence de l'inductance magnétisante L et de la résistance secondaire ramenée au primaire (notons-la R2) crée une annulation de la composante continue au secondaire en une durée de quelques constantes de temps (égale à L/R2). Cependant cette composante peut être transmise par à-coup, afin d'assurer la continuité du flux dans le circuit magnétique (car il n'y a jamais de discontinuité de l'énergie magnétique emmagasinée) : le transformateur fonctionne alors en "inductances couplées", il faut consulter un ouvrage sur les alimentations à découpage pour approfondir la question (auteurs spécialistes : Forest, Ferrieux, Costa, Chéron...).

A noter que le modèle du transformateur parfait ne se soucie pas de ces considérations : il transmet tout, aussi bien l'alternatif que le continu...il faut donc manipuler ce modèle avec précaution et ne pas l'utiliser dans n'importe quelle situation : la conception assistée par ordinateur (C.A.O.), qui utilise toujours un logiciel de simulation des circuits, doit être mise en oeuvre par un technicien suffisamment chevronné pour déjouer les pièges théoriques éventuels des modèles utilisés. Le simulateur Psimdemo utilisé dans le livre possède le modèle du transformateur parfait...qui fonctionne aussi bien en alternatif qu'en continu : il faut s'en méfier. En définitive, rien ne remplace la pratique qui seule valide une simulation menée à l'ordinateur.

​

 

 

 

04 - Est-ce qu'un moteur électrique tourne grâce aux forces de Laplace ?

 

"La force de Laplace est à la base de fonctionnement de tous les moteurs électriques" lu page 507 du cours pour classes préparatoires Cap Prépa 1ère année, Physique MPSI, PCSI, PTSI, éditions Pearson. Erreur ! Il s'agit d'un mythe pédagogique développé pour expliquer simplement le principe de fonctionnement des moteurs électriques. Dans le cas d'un moteur DC par exemple, le rotor en matériau ferromagnétique est constitué d'encoches (les "creux") dans lesquelles sont logés les conducteurs en cuivre. Or le cuivre (ou l'aluminium des moteurs asynchrones) n'est pas ferromagnétique : le champ magnétique n'y pénètre donc quasiment pas en "préfèrant" parcourir les deux dents ferromagnétiques qui encadrent chaque encoche (le rotor est une succession de dents ferromagnétiques et d'encoches amagnétiques). Le champ magnétique vu par les fils de cuivre étant quasiment nul, les forces de Laplace n'y prennent pas naissance même si un courant les parcourt. D'ailleurs si le couple électromagnétique d'un moteur électrique était dû aux forces de Laplace, ces dernières seraient si intenses qu'elles délogeraient les fils de cuivre des encoches.

En réalité le couple d'un moteur électrique est créé par des forces magnétiques appliquées aux dents ferromagnétiques du rotor, et non appliquées sur les fils de cuivre placés dans les encoches. Cependant, tout calcul fait, tout se passe comme s'il s'agissait de forces de Laplace, c'est la raison pour laquelle cette fausse explication est couramment donnée (j'avoue également le faire pour mes étudiants, qui, dans le cas contraire, resteraient perplexes sur le principe de fonctionnement des moteurs). Les moteurs synchrones à aimants permanents, les moteurs brushless et moteurs pas-à-pas sont d'ailleurs dépourvus de bobinage rotorique : aucune force de Laplace ne peut se développer au rotor.

Toutefois certains moteurs DC sont dépourvus de rotor ferromagnétique : ce sont les servomoteurs DC à rotor plat (certains moteurs AXEM par exemple). Dans ce dernier cas les forces magnétiques sont effectivement appliquées aux conducteurs en cuivre : il s'agit alors bien de forces de Laplace, mais ces moteurs n'ont pas une puissance massique très élevée et sont essentiellement utilisés comme actionneurs.

 

 

 

05 - Est-ce que les fils de cuivre transportent l'énergie électrique de la source à la charge ?

 

Non, c'est une idée reçue. L'article "l'énergie électrique ne passe pas par les fils" par A. Deiber et F. Pavier-Salomon expose le sujet. Les fils de cuivre ne font que guider l'énergie de la source vers la charge (à une vitesse approximativement égale à 2/3 de la vitesse de la lumière dans le vide), comme les rails d'un chemin de fer guident les wagons de marchandises (les marchandises ne sont pas véhiculées "dans" les rails !). Si les fils de cuivre chauffent, ce n'est pas à cause de l'énergie électrique transmise à la charge mais à cause de leur résistance non nulle qui créent une absorption d'une partie de l'énergie guidée. Cette énergie absorbée par les fils de cuivre est appelée "pertes Joule".

En réalité l'énergie électrique est véhiculée sous forme d'un champ électromagnétique qui se propage dans l'air (ou tout matériau isolant qui sépare les conducteurs d'alimentation). L'énergie véhiculée se concentre à proximité des fils de cuivre. Pour approfondir le sujet lire le document Introduction à l'électromagnétisme. Application à la ligne bifilaire en régime continu - Vecteur de Poynting, disponible également au paragraphe n° 6 de la page "en savoir plus sur les circuits électromagnétiques" de ce site.

 

On montre ci-dessous la direction des vecteurs de Poynting dans un circuit électrique composé d'une source de tension continue et de deux résistances ("Poynting vector flow in a circular circuit", par Basil S. Davis et Lev Kaplan du département de Physique de l'université Tulane, Nouvelle Orléans, Louisiane, USA). Le vecteur de Poynting est d'intensité d'autant plus forte (zones sombres) qu'on se rapproche de la source ou des charges (résistances). Le flux d'énergie parcourt l'espace diélectrique (isolant) entre la source et les charges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Au fur et à mesure que la fréquence du champ électromagnétique augmente, l'énergie est de moins en moins guidée par les fils de cuivre : on assiste alors à un phénomène de propagation non guidée appelé "rayonnement", à l'origine des perturbations électromagnétiques rayonnées (diaphonies, perturbations en champ proche et en champ lointain). Ce phénomène est également à l'origine de la transmission hertzienne d'informations (antennes). Noter que la transmission d'énergie électrique du primaire au secondaire d'un transformateur est un cas typique de "propagation guidée en champ proche". Ces phénomènes sont étudiés par les spécialistes de compatibilité électromagnétique (C.E.M.).

 

 

 

06 - Pourquoi distinguer les phénomènes de champ proche et les phénomènes de champ lointain  ?

 

Dans une zone de "champ proche" (sous entendu "proche de l'émetteur de champ électromagnétique") le récepteur et l'émetteur s'influencent mutuellement : on modélise leur comportement par des inductances mutuelles et des condensateurs qui relient l'émetteur et le récepteur (le cas typique est le transformateur, pour lequel le courant circulant au primaire est directement une conséquence du courant circulant au secondaire). En zone de champ lointain, un récepteur n'influence plus du tout l'émetteur. Cela peut d'ailleurs définir par ce qu'on entend par "champ proche" et "champ lointain". En régime quasi-stationnaire (temps de propagation du signal de l'émetteur au circuit récepteur largement inférieur à la période la plus faible de l'onde émise) on se trouve toujours dans une zone de champ proche (la condition ci-dessus est équivalente à la condition "taille transversale [par rapport à la direction de propagation] la plus grande du circuit largement inférieure à la longueur d'onde la plus courte du signal émis"), où les équations du champ magnétique et du champ électrique sont indépendantes et semblables à celle observées en régime stationnaires (en toute rigueur on n'a plus présence d'onde car cela suppose la coexistence de deux grandeurs différentes [E et H ici] liées par une équation, cela n'empêche pas la présence d'un champ qui s'étend donc idéalement à l'infini).

Les spécialistes définissent les zones de champ proche et de champ lointain par des considérations de taille des éléments en présence, de leur distance, de leur orientation relative et de longueur d'onde du champ électromagnétique (on parle souvent "d'ondes planes" en zone de champ lointain). A vouloir être trop précises, ces définitions deviennent spécifiques à une configuration particulière des éléments en présence et apparaissent souvent inapplicables pour une autre configuration, ce qui crée parfois des polémiques dans les définitions.

 

En zone de champ lointain, le champ électromagnétique transporte autant d'énergie avec sa composante magnétique H qu'avec sa composante électrique E (l'impédance d'onde E/H est constante et vaut 377 ohms dans toute cette zone), cependant un récepteur sera toujours davantage sensible à l'une des deux composantes du champ  : un récepteur ayant une allure de "fouet" est plus sensible à la composante électrique du champ alors qu'une allure "spire" est plus sensible à la composante magnétique du champ. Cela est dû au fait qu'un récepteur, par sa seule présence, perturbe le champ électromagnétique qu'il reçoit (il ne perturbe toujours pas pour autant l'émetteur, car on est en zone de champ lointain) : l'onde n'est plus progressive et plane à proximité du récepteur [construction d'ondes quasi-stationnaires et résonance d'onde plus ou moins ample] : l'égalité des énergies magnétique et électrique est donc rompue à proximité des antennes réceptrices.

En zone de champ proche, le champ électromagnétique transporte une énergie d'origine essentiellement magnétique ou essentiellement électrique (l'impédance d'onde n'est plus constante dans l'espace, dépend de la géométrie de l'émetteur  et de la distance émetteur-point de mesure). Dans ce cas il faut placer un émetteur sensible à l'énergie magnétique (spire) ou sensible à l'énergie électrique (fouet) si l'on veut récupérer l'essentiel de l'énergie émise (des considérations de parasitage peuvent néanmoins intervenir). Les phénomènes de diaphonie (diaphonie capacitive et diaphonie inductive) sont des phénomènes de perturbation électromagnétique en champ proche (à dominance électrique, c'est-à-dire à haute impédance d'onde, pour la diaphonie capacitive).

 

 

 

 

07 - Peut-on étudier un circuit magnétique comme un circuit électrique ?

 

La réponse est oui si le circuit magnétique ne sature pas : on a alors la réluctance magnétique analogue à la résistance électrique etc. On nous donne par exemple la réluctance d'un circuit magnétique et on en déduit le flux magnétique qui en résulte. Mais cela ne marche que si la réluctance est indépendante du flux, c'est-à-dire lorsque le circuit magnétique est linéaire (circuit qui ne sature pas)...or, en réalité, un circuit magnétique n'est jamais parfaitement linéaire.

 

En effet, en toute rigueur la réluctance dépend du flux magnétique qui dépend lui-même de la réluctance...c'est l'histoire du serpent qui se mord la queue.

 

On commence alors par émettre l'hypothèse de non saturation du circuit magnétique : on utilise des valeurs initiales standards des données de départ du problème, valeurs que l'on suppose pas trop éloignées des valeurs que l'on doit finalement obtenir après calcul, et on les utilise pour résoudre le problème (connaître l'état magnétique du circuit étudié). On vérifie ensuite, à l'aide de la courbe de magnétisation du circuit tracée expérimentalement, qu'on est bien dans le domaine de validité des valeurs initiales prises en début de calcul. C'est un processus itératif que seule une simulation informatique peut mener avec précision (comme tout calcul non linéaire). Si une valeur trouvée ne correspond pas à l'état magnétique approximatif prévu en début de calcul, il faut partir sur de nouvelles données initiales (plus proches de l'état magnétique obtenu après calcul).

En définitive il est illusoire de croire qu'on peut traiter un circuit magnétique réel exactement comme un circuit électrique.

 

 

 

 

08 - Le transformateur idéal a-t-il des fuites de flux ?

 

La réponse est oui dans la formulation dite "de Heaviside - Hertz" où, malgré la perméabilité infinie de son circuit magnétique, le transformateur a des fuites de flux. L'énergie électrique est transférée du primaire au secondaire via un champ électromagnétique, dans la direction donnée par le vecteur de Poynting. Ce vecteur de Poynting serait nul si le transformateur, même idéal, ne possédait pas de fuite de flux : le champ magnétique vaut H=0 dans le circuit magnétique parfait, donc le vecteur de Poynting y est nul en chaque point. S'il n'y avait pas de fuite de flux, le champ magnétique H0 dans le diélectrique (air) séparant le primaire et le secondaire serait également nul : le vecteur de Poynting y serait donc également nul...on n'aurait donc aucune transmission d'énergie entre primaire et secondaire.

 

L'image ci-dessous est tirée de l'article "Power flow in transformers via the Poynting vector" par J. Edwards et T.K Saha, Department of Computer Science and Electrical Engineering, Université du Queensland (Australie) ainsi qu'une image animée qui présente successivement le champ électrique, magnétique et de Poynting dans le cas d'un transformateur réel.

​

​

​

​

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ces questions sont traitées actuellement dans la théorie de transmission d'énergie via les lignes de transmission magnétique (lire par exemple "A physical model of the ideal transformer based on magnetic transmission line theory" par J.A. Brandão Faria, in Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2013, Vol. 27, No. 3, 365–373 ou encore "Where is the Poynting vector in an ideal transformer ?" par W. A. Newcomb - American Journal of Physics vol. 52, 1984).

Personnellement je pense que le modèle du transformateur idéal est un modèle inadapté pour ce qui concerne l'étude de la transmission d'énergie par les champs. Tout modèle a son domaine de validité et vouloir utiliser un modèle dans un domaine pour lequel il n'a pas été conçu est source de paradoxes. Un transformateur idéal qui possède des fuites de flux n'est plus véritablement un transformateur idéal (ou alors il faut redéfinir le concept de transformateur idéal)...mais cela n'engage que moi.

 

Cependant la réponse est non dans la formulation dite "de Rieman-Lorentz", car l'énergie est transportée via le potentiel vecteur (noté A le plus souvent) et non par l'induction B, qui n'est plus qu'une conséquence de la présence du potentiel vecteur A. Dans l'article Sur un effet physique attribuable uniquement au potentiel vecteur en électromagnétisme classique signé Rousseaux, Kofman et Minazzoli (chercheurs au CNRS) on constate que que le débat n'est pas clos (expérience de Maxwell-Lodge) : selon ces auteurs, la loi de Lenz-Faraday, même si elle est correcte pour quantifier les phénomènes observés (apparition d'une force électromotrice, fem, dans les spires secondaires d'un transformateur), elle reste inacceptable pour expliquer l'origine de cette fem car les équations de Maxwell sont des équations locales : un champ électrique variable au secondaire d'un transformateur n'est pas attribuable à la formulation intégrale de la loi de Lenz-Faraday. La formulation de Heaviside-Hertz jointe à l'intégration de la loi locale de Lenz-Faraday ne fait qu'évacuer une explication physique, alors que la formulation de Rieman-Lorentz l'autorise. Ce dernier point de vue me semble plus acceptable que celui qui explique le transfert d'énergie par les fuites de flux. Voyez-vous, même dans les domaines "classiques" de la science il reste des points à  éclaircir...

 

 

 

 

09 - Le vecteur de Poynting existe-t-il en régime continu ?

 

La réponse est oui. Voir à ce sujet la réponse à la question 5 précédente (image qui présente un champ de vecteurs de Poynting en régime continu) ainsi que le document Introduction à l'électromagnétisme. Application à la ligne bifilaire en régime continu - Vecteur de Poynting (disponible également sur ce site à la rubrique En savoir plus > En savoir plus sur les circuits électromagnétiques). Le vecteur de Poynting représente l'intensité et la direction de la densité surfacique de puissance développée par le champ électromagnétique en un point donné de l'espace. Son flux à travers une surface de l'espace donne la puissance développée à travers cette surface, donc l'énergie électromagnétique qui la traverse par unité de temps. La tension continue appliquée entre deux conducteurs crée un champ électrique E constant entre les deux conducteurs, le courant qui traverse les deux conducteurs crée également un champ magnétique H constant entre les deux conducteurs. Le produit vectoriel E x H donne le vecteur de Poynting (constant) au point de l'espace considéré entre les deux conducteurs.

 

 

 

 

10 - La tension mesurée par un voltmètre dépend-elle du positionnement de ses cordons de mesure ?

 

Non si on est en régime continu et lorsqu'on est sûr qu'aucun champ électromagnétique variable n'existe dans l'environnement dans lequel baignent les cordons de mesure, oui si on est en régime variable et que le champ magnétique n'est pas confiné (circuit RLC avec bobine droites, conducteurs sans écran de blindage). En régime variable l'ensemble {composant, fils de cuivre et/ou cordons de mesure, voltmètre} forme une boucle qui enlace un flux magnétique variable, plus ou moins intense en fonction de la position relative des différents éléments, de la fréquence du régime étudié et, bien sûr, de l'intensité du courant et de la tension présente. Ce flux variable à travers la boucle crée une force électromotrice E (vitesse de variation du flux à travers la surface de la boucle) qui s'additionne à la tension mesurée, ce qui influence le résultat affiché par le voltmètre. Ce cas peut s'étudier si on enlace le noyau d'un transformateur par une boucle de cuivre fermée sur elle-même mais constituée de quatre résistances R égales. On mesurera aux bornes d'une résistance R la valeur U=3/4*E si les fils du voltmètre enlacent le noyau du transformateur, ou U=1/4*E si les fils du voltmètre n'enlacent pas le noyau du transformateur (un voltmètre ou un oscilloscope mesure la circulation du champ électrique, égal à une différence de potentiel en régime constant uniquement). Dans ce cas le flux qui traverse la boucle est alors essentiellement créé par le transformateur, et non par la boucle elle-même lorsque les résistances R sont suffisamment importantes (fem induite et non "auto-induite"). Bien entendu, le phénomène est encore plus spectaculaire si l'on remplace le voltmètre par un oscilloscope.

 

Il s'agit de problèmes fréquemment rencontrés en compatibilité électromagnétique, où les fils de cuivre des appareils de mesure sont parasités par les éléments qui les entourent (on utilise des fils tressés pour les capteurs à thermocouple par exemple). Noter qu'un cordon de mesure de type coaxial est beaucoup moins sensible aux perturbations électromagnétiques qu'une paire de conducteurs (ligne bifilaire) car le conducteur aller est proche du conducteur retour (réduction de la surface d'emprise au champ électromagnétique). De plus, dans ce dernier exemple, le conducteur retour est constitué d'une tresse métallique qui enlace le conducteur aller, ce qui fait effet d'écran (blindage) électromagnétique, plus ou moins efficace selon la nature et l'épaisseur de la tresse (un surblindage métallique peut également être présent).

 

 

 

 

11 - Peut-on imposer simultanément la vitesse et le couple d'un moteur ?

 

Non : on ne peut pas imposer à la fois la vitesse et le couple électromagnétique d'un moteur, de même qu'on ne peut pas imposer simultanément le courant et la tension d'une résistance : la tension U dépend du courant I via la relation U=R*I, ou le courant I dépend de la tension U via la relation I=U/R, selon les contraintes d'alimentation de la résistance R (alimentation, respectivement, en courant ou en tension).

Pour la résistance, le courant et la tension sont liés par la caractéristique statique électrique de la résistance.

Pour le moteur,  le couple et la vitesse sont liés par la caractéristique statique mécanique du moteur (du moins en régime permanent dit également "stationnaire").

D'un façon générale on choisit souvent de contrôler le couple d'un moteur lorsqu'on est à basse vitesse (la vitesse résulte du couple), lorsqu'on veut par exemple piloter des charges mécaniquement fragiles : on ne souhaite pas d'à-coup de couple qui provoque le balancement dangereux d'une charge (levage), le renversement de matériel (tapis de convoyage, train au démarrage et freinage, charges inertielles). On contrôle parfois également le couple lorsqu'on est à vitesse élevée : pour un usinage parfaitement calibré d'une pièce mécanique (machines-outils, sciage, enrouleur-dérouleur de papeterie pour éviter la cassure de la bande de papier).

Le contrôle en vitesse est  davantage utilisé lorsque la vitesse doit être bien contrôlée, lorsque les à-coups de couples ne sont pas (ou plus) à craindre : pour assurer la vitesse de production d'un matériel (vitesse de défilement), pour ajuster précisément la vitesse d'un véhicule (train en régime de croisière)...

 

 

 

12 - Un moteur s'arrête-t-il forcément lorsqu'on coupe son alimentation ?

 

Mes étudiants répondent "oui forcément puisqu'il n'y a plus d'énergie pour le faire tourner"...La réponse est non, pas forcément. Un moteur ne s'arrêtera que si la charge qui lui est couplée l'autorise : un moteur qui lève une charge va tourner en sens inverse si on coupe son alimentation et qu'aucun dispositif de protection n'entre en scène, un train continue sa course si aucun dispositif ne vient le freiner (charge inertielle) "Bien sûr, mais là vous chipotez en prenant un cas particulier". Et si le moteur est à vide (il n'entraîne aucune charge) et qu'on lui coupe l'alimentation ? "Ah, euh, là...il faut réfléchir...ben oui, il faut bien l'alimenter pour qu'il tourne, sinon il ne tournerait pas !"

Erreur : dans ce cas, lorsqu'aucune force ne freine le moteur, alors le moteur continue sa course, même lorsque son alimentation est coupée. C'est l'application simple du principe fondamental de la dynamique : un objet prolonge son mouvement tant qu'aucune force extérieure ne vient le modifier (en l'occurrence, ici, il tourne tant que rien ne vient le freiner : c'est le principe de conservation du moment cinétique issu du principe fondamental de la dynamique). Si aucune force de frottement ne vient freiner le moteur, il continue à tourner. Pourquoi tourne-t-il alors ? Grâce à l'énergie cinétique qu'il a acquise lors de son démarrage (l'énergie électrique a été transférée en partie en énergie cinétique au fur et à mesure de l'accélération du moteur). Lorsqu'on coupe l'alimentation du moteur cette énergie cinétique doit s'évacuer pour que le moteur s'arrête. Si rien ne permet à cette énergie cinétique de s'évacuer (renvoie d'énergie à la source, résistance de freinage, dispositif de freinage mécanique...), le moteur continue sa course.

En pratique les forces de frottement vont intervenir et l'énergie cinétique va finir par s'évacuer en chaleur. Une voiture s'arrête parce que ses disques de freinage évacuent son énergie cinétique en chaleur, un train en pleine course continue à avancer si on coupe son alimentation et qu'aucun dispositif de freinage ou de récupération d'énergie n'intervient. Un astéroïde continue toujours sa course dans le vide intersidéral en ligne droite, tant qu'aucune force de gravitation (proximité d'un astre) ou de contact (choc) ne perturbe sa trajectoire.

 

 

 

13 - Est-ce qu'un démarreur de moteur asynchrone est équivalent à un variateur de vitesse ?

 

Non. Un démarreur (Altistart de Schneider Electric par exemple) permet de faire démarrer un moteur asynchrone en abaissant seulement sa tension d'alimentation. Cela permet un démarrage "en douceur"  si la charge l'exige (pompes, pour éviter les coups de bélier, ou convoyeurs, pour éviter le basculement de la charge). Il faut encore que la charge développe un faible couple à faible vitesse (ce qui exclut les charges de levage ou les charge de type extrudeuses ou broyeuses) car le moteur alimenté par un démarreur développe un faible couple au démarrage (même si son courant est élevé au démarrage). Une fois le moteur démarré, sa vitesse est proche de la vitesse nominale : un démarreur est un dispositif qui ne permet pas d'ajuster la vitesse. Le démarreur permet de faire démarrer un moteur asynchrone sous un couple et sous courant efficace réduits afin d'éviter une chute de tension sur le réseau d'alimentation préjudiciable aux éléments connectés sur le même réseau, (comme des variateurs de vitesse qui se mettent en défaut à partir d'une baisse de tension de 5 % seulement), voire sur le moteur lui-même qui risquerait de ne pas démarrer en démarrage direct car l'appel de courant peut être trop brutal et trop intense et ferait chuter la tension, donc chuter le couple de démarrage proportionnel au carré de la tension.

Un variateur de vitesse (Altivar de Schneider Electric par exemple) permet aussi de faire démarrer le moteur, mais il permet de le faire même si la charge développe un fort couple au démarrage (levage, broyeurs...) grâce à l'action conjuguée sur la tension efficace fondamentale du moteur et sur sa fréquence f. En plus la vitesse de régime permanent peut être ajustée à la valeur souhaitée, contrairement au démarreur. Techniquement un variateur est réalisé à partir d'un onduleur MLI (et non d'un gradateur comme dans les démarreurs). Il est cependant plus cher et plus difficile à mettre en oeuvre que le démarreur.

​

En outre un démarreur n'est pas adapté à des arrêts-démarrages fréquents pendant lesquels les pertes Joule peuvent l'échauffer exagérément (proportionnelles au glissement, maximal au démarrage avec un démarreur, ce qui n'est pas le cas avec un variateur de vitesse). Le démarreur génère également des harmoniques de courant de plus grande intensité que le variateur de vitesse (pourtant déjà bien polluant).

​

.

 

 

 

14 - Existe-t-il différents types de contrôles vectoriels ?

 

Oui. La méthode utilisée dans le livre "Electrotechnique expérimentale - schémas, graphes et simulations" au chapitre 12 est appelée "contrôle du flux rotorique orienté" car on oriente le flux rotorique du moteur asynchrone avec le courant statorique direct Isd. Il existe plusieurs stratégies de commandes vectorielles (FOC en anglais pour Field-Oriented Control, CVF en français pour Contrôle Vectoriel de Flux). Pour être plus précis il s'agit d'un contrôle indirect du couple à flux orienté. Le repère utilisé pour la transformation de Park est un repère lié au champ tournant statorique pour obtenir des courant direct Isd et quadratique (ou "en quadrature") Isq constants (en régime permanent, c'est-à-dire sinusoïdal), ce qui facilite le contrôle. On entre ici dans la théorie des contrôles vectoriels de flux, ce qui n'est plus le propos du livre qui se veut davantage expérimental que théorique. Des recherches sont toujours en cours pour évaluer les performances des différents algorithmes de calcul utilisés pour les commandes vectorielles.

 

 

 

15 - Peut-on parler de "photon" pour représenter une onde électromagnétique quelconque  ?

 

Oui. Le photon représente tout simplement un "grain" (ou "quantum") d'énergie électromagnétique. Le photon a pour valeur h*f avec h la constante de Planck h=(6,626 069 57 +/-  0,000 000 29)*10^(-34) joules-secondes et f la fréquence de l'onde électromagnétique (en Hz). Les échanges d'énergie entre une onde électromagnétique et la matière ne peuvent s'effectuer que par multiples entiers de photons. En électrotechnique les fréquences utilisées sont au moins un milliard de fois plus faibles que les fréquences lumineuses (qui est de l'ordre de 500 THz), le photon a une valeur si petite devant les énergies mises en jeu que l'aspect quantique des échanges est noyé dans le flux énergétique mis en jeu : on n'a pas besoin de ce modèle, l'aspect corpusculaire des interactions de l'onde électromagnétique avec les sources et / ou les charges électriques est ignoré.

Noter que certains spécialistes considèrent le photon comme étant un quantum d'échange d'énergie entre un rayonnement et la matière : le photon n'existe pas tant que le rayonnement n'atteint pas la matière. De ce point de vue, la notion de "vitesse" d'un photon n'a aucun sens et il vaut mieux parler de vitesse de propagation de l'énergie électromagnétique. Un excellent article sur le photon publié sur le web par D. Lefebvre (source : http://www.tangentex.com/Photon.htm) explicite la notion dangereuse de "masse"  d'un photon.

Attention, parler de dualité onde / corpuscule pour la lumière est cependant hasardeux : la lumière n'est pas plus "corpusculaire" qu' "ondulatoire", de même qu'une pyramide n'est pas plus un triangle (vue de face) qu'un carré (vue d'en haut). La lumière est composée de  "quantons" (Mario Bunge, 1967) ou "objets quantiques" qui, par certaines propriétés, revêt tantôt l'aspect d'une onde et tantôt l'aspect d'un flux de particules selon les situations dans lesquelles elle est étudiée. Noter que R. Feynman (prix Nobel de physique 1965) considère que la lumière est bien constituée de corpuscules (et non d'ondes) : lire "lumière et matière : une étrange histoire" 1985, éditions Seuil, et montre que tous les phénomènes prétendus "ondulatoires" de la lumière peuvent s'interpréter en termes corpusculaires liés aux probabilités d'apparition.

 

 

 

16 - Comment définir les puissances en régime non sinusoïdal  ?

 

Tout est bien défini lorsque les tensions et les courants sont sinusoïdaux. On a alors, en monophasé, la puissance active donnée par P=V*I*cos phi et la puissance réactive donnée par Q=V*I*sin phi avec phi le déphasage de la tension V(t) par rapport au courant I(t).

Cependant cela se complique sérieusement dès que la tension ou le courant n'est plus sinusoïdal. Si en monophasé la puissance active vaut P=FP*V*I avec FP le facteur de puissance défini par FP=V*I/P avec P=valeur moyenne de v(t) * i(t) sur une période T de fonctionnement, la définition de la puissance réactive Q et de la puissance déformante D n'est plus établie. Il existe alors différentes définitions. On peut lire avec intérêt la Synthèse des théories des définitions des puissances en régime non sinusoïdal par C. Benachaiba, S. Beddiar et O. Abdelkhalek, document de travail qui, malgré une mauvaise traduction française et quelques erreurs de frappe dans les relations utilisées, a le grand mérite d'exposer une synthèse des définitions.