ESSAIS ET MESURES SUR LES MACHINES ÉLECTRIQUES, 4ÈME ANNÉE, OPTION ÉLECTRICITÉ

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

PRÉLIMINAIRES

1. Objectifs Généraux du Cours 🎯

Ce cours de laboratoire, point culminant de la formation pratique, a pour objectif de confronter l’élève à la réalité expérimentale des machines électriques. L’ambition est de transformer les connaissances théoriques en compétences pratiques de mesure, d’analyse et de diagnostic. Au terme de ce module, l’apprenant doit être capable de mettre en œuvre un banc d’essais en toute sécurité, de réaliser les essais normalisés pour caractériser n’importe quelle machine électrique (DC, AC, transformateur), de tracer et d’interpréter ses courbes de performance, et de rédiger un rapport d’essais technique et professionnel.

2. Approche Pédagogique Recommandée 🧑‍🏫

La pédagogie est exclusivement active et expérimentale. Chaque séance est organisée autour d’une manipulation complète sur un type de machine. L’enseignant agit comme un chef de laboratoire, guidant les élèves dans la préparation de l’essai, la réalisation des schémas de câblage, le choix de l’instrumentation, l’exécution des mesures et l’analyse critique des résultats. Une importance capitale sera accordée à la sécurité lors de la manipulation de puissances importantes et de machines tournantes. La comparaison systématique entre les résultats expérimentaux et les performances attendues par la théorie permettra de consolider la compréhension et de développer un esprit de diagnostic.

3. Prérequis du Cours 📚

Une maîtrise totale de l’ensemble des programmes de Machines Électriques et d’Instruments de Mesures des années précédentes est un prérequis absolu. L’élève doit connaître la constitution et le fonctionnement de toutes les machines pour comprendre le but des essais. Il doit également maîtriser parfaitement l’utilisation de tous les instruments de mesure (multimètre, wattmètre, oscilloscope, tachymètre) et les règles de sécurité électrique.

PARTIE 1 : MÉTHODOLOGIE ET SÉCURITÉ EN LABORATOIRE D’ESSAIS

Cette partie introductive établit le cadre de travail indispensable à toute activité expérimentale sur les machines de puissance. Elle se concentre sur les règles de sécurité impératives, la sélection et le câblage correct de l’instrumentation, et la méthode rigoureuse de conduite d’un essai, depuis la préparation jusqu’à la présentation des résultats.

Chapitre 1: Sécurité et Organisation du Laboratoire de Machines

1.1. Les Risques Spécifiques aux Essais de Machines

Les risques majeurs sont identifiés : risques électriques (tensions élevées, forts courants), risques mécaniques (pièces en rotation, couples importants), et risques thermiques (échauffement des machines).

1.2. Procédures de Consignation et de Sécurité

La procédure de consignation électrique (lockout/tagout) est enseignée comme une règle intangible avant toute intervention sur un montage. Les règles de travail en laboratoire (port des EPI, propreté des paillasses, travail en binôme) sont rigoureusement appliquées.

1.3. L’Environnement du Banc d’Essais

La composition typique d’un banc d’essais est décrite : sources d’alimentation variables (DC et AC), machines, systèmes de charge (frein, génératrice), et appareillage de protection et de commande.

1.4. Conduite à Tenir en Cas d’Anomalie ou d’Accident

La procédure à suivre en cas d’incident (emballement d’une machine, bruit anormal, odeur de brûlé) est établie, en insistant sur l’utilisation des arrêts d’urgence. Les gestes de premiers secours en cas d’électrisation sont rappelés.

Chapitre 2: Instrumentation pour les Essais de Machines

2.1. Mesure des Grandeurs Électriques (U, I, P)

Le choix et le câblage correct des instruments de mesure électrique sont revus dans le contexte des essais de machines : voltmètres, ampèremètres et, surtout, le wattmètre pour la mesure de la puissance active. L’utilisation des transformateurs de mesure pour les forts courants est rappelée.

2.2. Mesure de la Vitesse de Rotation

Les différentes technologies de tachymètres sont présentées : tachymètre mécanique à contact, tachymètre optique à réflexion (stroboscope), et l’utilisation de génératrices tachymétriques pour une mesure continue.

2.3. Mesure du Couple Mécanique

Les méthodes de mesure du couple sont expliquées : utilisation d’un frein mécanique (frein de Prony) ou d’une génératrice couplée mécaniquement dont on mesure la puissance électrique de sortie (méthode de la dynamo-frein). Les capteurs de couple modernes (torquemètres) sont également introduits.

2.4. Acquisition de Données et Traçage de Courbes

L’utilisation de systèmes d’acquisition de données informatisés pour relever simultanément plusieurs grandeurs et tracer automatiquement les courbes caractéristiques est présentée comme la méthode moderne, permettant une analyse plus fine et plus rapide des résultats.

Chapitre 3: Méthodologie des Essais et Rédaction de Rapports

3.1. Les Différents Types d’Essais

Les essais sont classifiés : essais à vide (pour déterminer les pertes constantes), essais en charge (pour déterminer les performances en fonctionnement), et essais en court-circuit (pour déterminer les paramètres internes).

3.2. Les Méthodes de Détermination du Rendement

Deux méthodes sont comparées. La méthode directe consiste à mesurer la puissance mécanique utile et la puissance électrique absorbée. La méthode indirecte (ou méthode des pertes séparées) consiste à évaluer chaque poste de perte séparément pour calculer le rendement, une méthode plus précise et souvent plus facile à mettre en œuvre en laboratoire.

3.3. Structure d’un Rapport d’Essai

Une structure type pour la rédaction d’un rapport technique professionnel est imposée : introduction (objectif de l’essai), schéma de montage et liste du matériel, tableau des mesures brutes, analyse (calculs et traçage des courbes), et conclusion (interprétation des résultats et comparaison à la théorie).

3.4. Analyse Critique des Résultats

L’élève est formé à l’analyse critique des données : identifier les sources d’erreurs de mesure, évaluer la cohérence des résultats, et expliquer les écarts éventuels entre les mesures et les valeurs théoriques attendues, une compétence essentielle pour tout technicien.

PARTIE 2 : ESSAIS DES MACHINES À COURANT CONTINU

Cette section est dédiée à la caractérisation expérimentale des machines à courant continu, qui restent fondamentales dans de nombreuses applications spécifiques (traction, servomoteurs, alimentation de secours).

Chapitre 4: Essais des Génératrices à Courant Continu (Dynamos)

4.1. Essai à Vide

L’essai à vide est réalisé en entraînant la dynamo à sa vitesse nominale et en relevant la tension à ses bornes (f.é.m.) en fonction du courant d’excitation. La courbe obtenue, ou caractéristique à vide, met en évidence la saturation du circuit magnétique.

4.2. Essai en Charge

L’essai en charge consiste à connecter une charge résistive variable aux bornes de la dynamo et à relever l’évolution de la tension de sortie en fonction du courant débité. Cette courbe, ou caractéristique en charge, montre la chute de tension due à la résistance d’induit et à la réaction magnétique.

4.3. Caractéristique de Réglage

La caractéristique de réglage est la courbe qui donne le courant d’excitation nécessaire pour maintenir une tension de sortie constante lorsque le courant de charge varie. Elle est particulièrement importante pour les dynamos à excitation séparée.

4.4. Détermination du Rendement

Le rendement de la dynamo est déterminé par la méthode des pertes séparées. Les pertes mécaniques et fer sont mesurées lors de l’essai à vide, et les pertes Joule sont calculées à partir des résistances des enroulements.

Chapitre 5: Essais des Moteurs à Courant Continu

5.1. Essai à Vide

L’essai à vide du moteur consiste à l’alimenter sous sa tension nominale sans charge mécanique sur l’arbre. Cet essai permet de mesurer la vitesse à vide et les pertes constantes (pertes fer et mécaniques).

5.2. Essai en Charge

L’essai en charge est réalisé en appliquant un couple de freinage variable sur l’arbre du moteur. On relève alors la vitesse, le courant absorbé et le couple pour tracer les caractéristiques fondamentales.

5.3. Tracé des Caractéristiques Mécanique et Électromécanique

Les deux courbes principales sont tracées à partir de l’essai en charge. La caractéristique mécanique () décrit le comportement mécanique du moteur, tandis que la caractéristique électromécanique () lie le couple au courant absorbé.

5.4. Détermination du Rendement par Pertes Séparées

Le rendement du moteur est calculé en évaluant les différentes pertes : les pertes constantes mesurées à vide et les pertes Joule (dans l’induit et l’inducteur) calculées pour chaque point de charge. Cette méthode est souvent utilisée pour les moteurs de forte puissance dans l’industrie, comme ceux des laminoirs de la sidérurgie de Maluku.

PARTIE 3 : ESSAIS DES MACHINES À COURANT ALTERNATIF

Cette partie, la plus conséquente, couvre la caractérisation de l’ensemble des machines à courant alternatif, qui forment la base de tout réseau électrique moderne, depuis le transformateur jusqu’au moteur asynchrone.

Chapitre 6: Essais du Transformateur

6.1. Mesure du Rapport de Transformation et Contrôle du Couplage

L’essai à vide sous tension réduite permet de mesurer précisément le rapport de transformation et de vérifier le couplage et l’indice horaire pour un transformateur triphasé.

6.2. Essai à Vide sous Tension Nominale

Cet essai consiste à alimenter le primaire sous sa tension nominale, le secondaire étant en circuit ouvert. Il permet de mesurer le courant à vide (magnétisant) et la puissance absorbée à vide, qui correspond aux pertes dans le fer.

6.3. Essai en Court-Circuit sous Tension Réduite

Cet essai consiste à court-circuiter le secondaire et à alimenter le primaire sous une tension réduite, juste suffisante pour faire circuler le courant nominal. Il permet de mesurer la puissance de court-circuit (les pertes cuivre nominales) et de déterminer les paramètres du schéma équivalent (résistance et réactance de fuite).

6.4. Calcul du Rendement et de la Chute de Tension

À partir des résultats des deux essais précédents, l’élève apprend à calculer le rendement du transformateur pour n’importe quelle charge et n’importe quel facteur de puissance, ainsi qu’à prédire la chute de tension au secondaire, sans avoir besoin de réaliser un essai en pleine charge souvent impossible en laboratoire.

Chapitre 7: Essais de la Machine Synchrone

7.1. Essais à Vide et en Court-Circuit de l’Alternateur

Comme pour le transformateur, les essais à vide et en court-circuit sont réalisés sur l’alternateur. Ils permettent de tracer les caractéristiques correspondantes et de déterminer l’impédance synchrone de la machine, paramètre clé de son modèle.

7.2. Tracé des Courbes de Mordey (en V) du Moteur Synchrone

L’essai du moteur synchrone fonctionnant à vide sur le réseau consiste à faire varier son courant d’excitation et à relever le courant statorique absorbé. Les courbes en V obtenues démontrent la capacité du moteur à se comporter comme un condensateur ou une inductance, et donc à agir comme un compensateur synchrone.

7.3. Détermination du Rendement

Le rendement de la machine synchrone est déterminé par la méthode des pertes séparées, en dissociant les pertes mécaniques, les pertes fer (mesurées à vide), les pertes Joule au stator et les pertes Joule à l’excitation.

7.4. Essais de Synchronisation

Une séance de laboratoire est entièrement dédiée à la manœuvre de couplage en parallèle d’un alternateur sur le réseau. Les élèves doivent régler la vitesse et la tension et utiliser un synchronoscope pour donner l’ordre de couplage au moment opportun, une opération délicate et essentielle dans les centrales de production comme celle de la Ruzizi.

Chapitre 8: Essais du Moteur Asynchrone Triphasé

8.1. Mesures Préliminaires

Avant les essais en fonctionnement, des mesures statiques sont effectuées : mesure de la résistance des enroulements statoriques et contrôle de l’isolement par rapport à la masse.

8.2. Essai à Vide

L’essai à vide, où le moteur tourne sans charge mécanique, permet de mesurer le courant à vide et les pertes constantes (pertes fer et mécaniques). Il permet aussi de mesurer la vitesse de synchronisme de manière très proche.

8.3. Essai à Rotor Bloqué

Cet essai est l’équivalent de l’essai en court-circuit du transformateur. Le rotor étant immobilisé, on alimente le stator sous tension réduite pour faire circuler le courant nominal. Cet essai permet de déterminer les paramètres du schéma équivalent et les pertes cuivre nominales.

8.4. Essai en Charge et Détermination du Glissement

L’essai en charge, couplé à un frein, permet de tracer la caractéristique mécanique  et la courbe du rendement. La mesure précise de la vitesse de rotation à chaque point de charge permet de calculer le glissement correspondant, un indicateur clé du fonctionnement du moteur.

PARTIE 4 : ESSAIS DES SYSTÈMES DE CONVERSION ET DIAGNOSTICS

Cette dernière partie ouvre le champ des essais aux systèmes modernes d’électronique de puissance et introduit les méthodes de mesure utilisées non plus pour la caractérisation, mais pour le diagnostic et la maintenance prédictive des machines.

Chapitre 9: Essais des Convertisseurs Statiques de Puissance

9.1. Essais d’un Redresseur Commandé

L’essai consiste à relever la caractéristique de réglage d’un pont à thyristors : la tension de sortie continue en fonction de l’angle d’amorçage. Le taux d’ondulation de la tension de sortie est également mesuré à l’oscilloscope.

9.2. Essais d’un Hacheur (Convertisseur DC/DC)

La relation entre le rapport cyclique de la commande et la tension de sortie d’un hacheur est vérifiée expérimentalement. Le rendement du convertisseur est mesuré pour différents points de fonctionnement.

9.3. Essais d’un Onduleur et d’un Variateur de Vitesse

L’essai d’un onduleur MLI consiste à analyser la tension de sortie à l’oscilloscope et à vérifier la qualité de l’onde (analyse des harmoniques par FFT). Couplé à un moteur, l’ensemble forme un variateur dont on vérifie la plage de variation de vitesse et la performance.

9.4. Mesure du Rendement des Convertisseurs

La mesure du rendement des convertisseurs de puissance est une tâche complexe en raison des formes d’ondes non sinusoïdales. L’utilisation d’un analyseur de puissance est présentée comme l’outil indispensable pour mesurer correctement les puissances active et apparente et le THD (Taux de Distorsion Harmonique).

Chapitre 10: Introduction aux Essais de Diagnostic et de Maintenance

10.1. Mesure de la Résistance d’Isolement

La méthode de mesure de la résistance d’isolement des enroulements d’une machine (entre phases et par rapport à la terre) à l’aide d’un mégohmmètre est détaillée. Le calcul de l’index de polarisation est introduit comme un indicateur de l’humidité des isolants.

10.2. Mesure de la Résistance des Enroulements

La mesure de la résistance ohmique des enroulements à l’aide d’un micro-ohmmètre (méthode 4 fils) est présentée comme un moyen de détecter des problèmes de connexion ou des spires en court-circuit.

10.3. La Thermographie Infrarouge

Le principe de la thermographie est expliqué. L’utilisation d’une caméra infrarouge pour détecter des points chauds anormaux sur une machine ou dans une armoire électrique est démontrée comme un puissant outil de maintenance prédictive.

10.4. Analyse Vibratoire de Base

L’analyse des vibrations d’une machine tournante est introduite comme une méthode pour diagnostiquer des problèmes purement mécaniques (déséquilibre, défaut d’alignement, usure des roulements) qui peuvent avoir des conséquences électriques. C’est une compétence clé pour la maintenance des machines dans les grandes industries, comme les cimenteries du Kongo Central.

ANNEXES

Les annexes sont conçues comme un guide de laboratoire. Elles contiennent des fiches de sécurité pour chaque type de manipulation, des schémas de montage types pour tous les essais décrits, des exemples de feuilles de relevés, et un guide pour la rédaction des rapports d’essais. Un glossaire des termes spécifiques aux essais de machines est également inclus.