Grâce au financement européen, des ressources sont actuellement développées autour de 4 thématiques. Chaque partenaire a pris en charge la responsabilité du développement d’une thématique.

Tout ou partie de ces ressources sont développées, traduites et adaptées en 4 langues : roumain, portugais, français et anglais.
Les deux premiers secteurs correspondent à des disciplines de base de l'électricité. Ils permettent de considérer deux des principales méthodes d'analyse des circuits électriques. Les deux derniers secteurs correspondent à des domaines beaucoup plus pointus et pluridisciplinaires. L'un très technique concerne des étudiants très spécialisés dans le domaine. Les énergies renouvelables sont en revanche un secteur d'application qui peut intéresser un public beaucoup plus large.
Nous présentons ci-après quelques une des réalisations les plus emblématiques parmi celles développées au sein de ces 4 thématiques.

Circuits électriques : représentation vectorielle des grandeurs sinusoïdales.

Les ingénieurs électrotechniciens ont l’habitude d’analyse le régime permanent des circuits et dispositifs alimentés par des sources sinusoïdales, en utilisant une représentation vectorielle des courants et tensions (phaseurs ou diagrammes de Fresnel...).
Quand le professeur tente d’expliquer au cours combien il est plus simple pour analyser ces circuits d’associer à chaque tension ou courant une grandeur complexe (dont la partie réelle représente la véritable de la tension ou du courant) et de représenter graphiquement chacune de ces grandeurs par un vecteur tournant dans un espace à deux dimensions, il ressent au mieux une certaine inquiétude et de l’incrédulité chez les étudiants ! Le professeur peut tenter d’argumenter à coup d’équations et de schémas au tableau mais il n’aura jamais la force de conviction d’une animation multimédia que l’étudiant peut utiliser pour reconstruire par lui-même tous les schémas que le professeur a dessiné au tableau, en y introduisant en plus la composante temps (la rotation des vecteurs à la fréquence de la source et l'évolution sinusoïdale de leur projection sur un axe), ce qu’aucun schéma imprimé ou tracé au tableau ne peut faire.
La « leçon en ligne » sur les grandeurs sinusoïdales commence par la définition des paramètres qui caractérisent ce type de grandeurs : amplitude, pulsation et phase. Une animation permet à l’étudiant de faire varier chacun de ces paramètres en visualisant leur influence sur le signal produit, à l'aide d'un oscilloscope virtuel.

Figure 2a. Visualisation des paramètres caractérisant une grandeur sinusoïdale (Animation)

Vient ensuite la notion de valeur efficace, avec sa traduction physique et graphique.

On montre enfin comment une grandeur caractérisée par l'expression :

peut être représentée symboliquement par un vecteur (une grandeur complexe)

qui tourne dans le plan avec une pulsation

. La projection, à chaque instant, de ce vecteur tournant sur l’axe réel correspond à la valeur instantanée, à cet instant, de la grandeur sinusoïdale. L’animation montre à la fois le vecteur tournant et sa projection sur l’axe, en laissant à l’étudiant la possibilité de modifier les paramètres caractérisant la grandeur.

Figure 2c. Représentation d'une grandeur sinusoïdale par un vecteur tournant (Animation).

A partir de ce point, l’application des vecteurs tournants à l’analyse des circuits électriques nécessite que l’étudiant maîtrise les opérations mathématiques associées à leur représentation complexe. Le dernier écran de cette leçon présente donc quelques animations illustrant les opérations mathématiques de base sur ces grandeurs (addition de deux grandeurs de même pulsation, multiplication par une constante, dérivation, intégration).

Figure 2d. Dérivation d'une grandeur sinusoïdale (Animation).

Electronique de Puissance : comportement dynamique d'un hacheur élévateur de tension

Les problèmes auxquels on se heurte dans l'enseignement de l'électronique de puissance sont liés à la difficulté des étudiants d'appréhender le fonctionnement en commutation inhérent aux circuits électroniques de puissance. En particulier, ils ont beaucoup de mal à comprendre qu'en fonctionnement normal, un convertisseur électronique de puissance tendra vers un comportement formé d'une succession de régimes transitoires qui se répètent de manière périodique ou quasi-périodique et à déterminer ce fonctionnement.
Les animations qui permettent de visualiser de manière dynamique l'évolution temporelle des tensions et des courants constituent un outil particulièrement efficace pour acquérir une compréhension intuitive du fonctionnement de ces convertisseurs.
A titre d'exemple, on peut considérer le laboratoire virtuel consacré à la simulation d'un hacheur abaisseur de tension (buck converter).

Figure 3a. Schéma du hacheur abaisseur de tension.
Lorsqu'on débute le processus de hachage avec un taux de hachage sensiblement supérieur à E/E', on tend par une succession de régimes transitoires vers un "régime permanent" pour lequel on obtient un fonctionnement cyclique à l'échelle de la période de hachage, les régimes transitoires successifs se répétant de manière identique de période en période.

Figure 3b. Démarrage d'un hacheur série d'un passage en conduction intermittente.
Si à ce moment, on diminue la valeur du temps de conduction du transistor en dessous de la valeur minimum assurant une circulation permanente du courant, on tend vers un nouveau régime ou sur chaque période de hachage, on a successivement conduction du transistor puis conduction de la diode et enfin blocage de la diode et du transistor.

Machines asynchrone : construction

Le support multimédia permet de montrer les principales pièces d’une machine asynchrone et de voir le processus de fabrication au travers de courtes séquences vidéos.
Dans la leçon correspondante, une figure en coupe de la machine asynchrone permet de situer les différentes pièces (Figure 4.a) et de les voir sur la photo d'une réalisation en écorché de la machine (Figure 4.b).

Sept vidéos illustrent ensuite les différentes étapes du processus de fabrication d’un moteur asynchrone à rotor bobiné : emboutissage des tôles et assemblage des circuits magnétiques statoriques et rotoriques, réalisation des bobinages, mise en forme, isolation, contrôle de leur résistance et insertion de ceux-ci dans les encoches du rotor et du stator. Ces vidéos ont été tournées grâce au concours de l’entreprise “Electroputere S.A”, Craiova, Roumanie.
A tritre d’exemple, la vidéo ci-dessous montre la réalisation d’un bobinage statorique et sa mise en forme en vue d’être inséré dans les encoches du circuit magnétique avec le pas polaire désiré.

Figure 4c (Animation). Processus de fabrication de la machine asynchrone (Cliquez sur l'image pour visualiser la vidéo).

Projetées en cours, ces vidéos permettent à l’enseignant de donner toutes les explications relatives au processus de fabrication des moteurs et les contraintes qui en découlent dans la conception des moteurs.

Machines asynchrone et synchrone : notion de champ tournant

La notion de champ tournant est une notion essentielle pour comprendre le fonctionnement des machines asynchrones et synchrones. Expliquer comment il est possible avec trois bobinages fixes décalés de 120° et alimentés par des courants déphasés également de 120°, de créer un champ d'entrefer (entre le rotor et le stator) équivalent à celui que produirait un seul bobinage tournant n’est cependant pas facile. La simple démonstration mathématique du théorème de Ferraris ne suffit pas toujours à convaincre les étudiants.
La leçon correspondante, montre, dans un premier temps, qu’un bobinage fixe, alimenté par un courant alternatif, crée un champ pulsatoire de direction constante (la direction du champ est définie comme étant la direction pour laquelle l’amplitude du champ est maximale). Il s’agit bien ici de montrer au sens de visualiser et pas seulement de démontrer sous forme d’un calcul mathématique.

Figure 5a. Alimentation d'un bobinage fixe par un courant alternatif (Animation).

L’amplitude et le sens (le signe) du champ Ha créé par le bobinage a varient avec ceux du courant ia = I.cos wt qui l'alimente :

(w désigne la pulsation du courant, q est la position du point de l'entrefer où le champ est évalué, K est une constante liée aux paramètres constructifs de la machine).
Les champs créés par les trois bobinages a, b et c sont spatialement déphasés de 120°. Les courants ia, ib, ic qui les alimentent sont temporellement déphasés de 120°. Quand on additionne les champs produits, on obtient un champ total Ht :

Un “simple” calcul trigonométrique montre que ce champ total s’écrit encore :

Ce résultat peut également s’établir également graphiquement :

La somme des trois vecteurs représentatifs du champ magnétique est un vecteur d’amplitude constante mais dont la direction varie avec le temps . C’est ce qu’on appelle un champ tournant.
Si on place un aimant permanent dans ce champ tournant, il suivra ce champ entraînant le rotor de la machine dans un mouvement de rotation (principe de fonctionnement des moteurs synchrones). Si on place un matériau conducteur au sein de ce champ, il sera le siège de courants induits dont on peut montrer, en vertu de la loi de Lenz, que les forces de Laplace qu’ils créent en interaction avec le champ magnétique sont telles qu’elles entraînent le rotor dans un mouvement de rotation à une vitesse nécessairement légèrement inférieure à celle du champ tournant (principe de fonctionnement des moteurs asynchrones).
Le recours à l’animation graphique développe chez l’étudiant une compréhension intuitive du fonctionnement des machines électriques sur laquelle l’enseignant peut se reposer pour la suite de son cours.

Machines asynchrones : Direct Torque Control

Le recours à l’animation permet également de faire comprendre des notions avancées comme la commande directe en couple (Direct Torque Control - DTC) du moteur asynchrone. Cette stratégie de commande qui s’énonce davantage sous forme de règles qu’au travers un algorithme mathématique n’est pas toujours aisée à comprendre, tant qu’on ne possède pas une connaissance suffisante du fonctionnement interne de la machine asynchrone.
Tout d’abord on montre que pour maintenir un état magnétique aussi constant que possible de la machine asynchrone (et avoir un modèle de la machine où l’on peut faire abstraction du phénomène de saturation magnétique), il convient de conserver autant que possible l’amplitude du flux statorique constante. La trajectoire de l’extrémité du vecteur représentatif de ce flux statorique doit donc être proche d’un cercle (figure 6a)

On établit ensuite que le couple de la machine asynchrone peut être contrôlé en réglant la vitesse de rotation de ce vecteur. En l’accélérant, on augmente la valeur du couple (figure 6.b), en le ralentissant on réduit cette valeur, voire on obtient un couple de freinage (couple négatif - figure 6.c).

La position actuelle du vecteur représentatif du flux statorique peut être estimée à partir de la mesure des courants et tensions au stator. Sa position au prochain pas de temps dépendra de la valeur du vecteur des tensions qui sera appliquée d’ici là. Faisant le lien avec la thématique « électronique de puissance », on montre qu’avec un onduleur de tension, 7 valeurs différentes peuvent être appliquées à un instant t (figure 6d).

Figure 6d. Vecteur des différentes tensions applicables
et topologies correspondantes de l’onduleur de tension

Le vecteur des tensions statoriques est, au cours de la période de temps où celui ci est appliqué et en première approximation, l’image de la direction dans laquelle évoluera le vecteur des flux statoriques.
Fonction de l’amplitude (inférieure ou supérieure à sa référence), de la direction actuelle de ce vecteur (le secteur qu’il occupe), et de la direction que l’on souhaite lui voir prendre par la suite (fonction du couple souhaité), l’un ou l’autre de ces 7 vecteurs de tensions sera appliqué.

Energies renouvelables : recherche du point de puissance maximale d’une installation photovoltaïque

Les outils actuellement développés dans la thématique «Énergies renouvelables » du site concernent les filières éolienne et solaire photovoltaïque. Les TP virtuels y trouvent plus qu’ailleurs leur place du fait de la difficulté voire l’impossibilité de réaliser, à l’échelle de puissance représentative des systèmes réels, des manipulations sur des systèmes éolien et solaire photovoltaïque. Une des originalités de cette partie du site est que la définition et la réalisation des ressources sont principalement le fait d’étudiants ingénieurs de dernière année, supervisés bien entendu par leurs professeurs qui en ont validé le contenu scientifique. Ces étudiants y ont apporté leur propre perception des aspects difficiles à comprendre de la matière, ou des points à mettre en avant pour rendre le site attractif et motivant. Une autre originalité des développements sur la thématique « énergies renouvelables » est qu’ils s’intègrent dans un site traitant de différents aspects de l’électrotechnique qui sont largement utilisés dans les sources à énergie renouvelable.

La figure 7a illustre une animation interactive des principaux constituants d’une éolienne.

Figure 7a. Animation permettant de découvrir les différents constituants d’une éolienne en cliquant sur ces différents composants.

La puissance générée par une éolienne à vitesse variable particulière (basée sur une machine asynchrone contrôlée via les bobinages rotoriques), en fonction de la vitesse du vent et de l’angle d’orientation des pales, est illustrée par une animation interactive présentée à la figure 7b :

Les générateurs photovoltaïques sont également présentés à l’aide d’animations interactives permettant d’illustrer, par exemple, l’influence de l’éclairement, de la température et du maximum power point tracking (MPPT) permettant de maximiser la puissance générée par les cellules photovoltaïques (figure 7c).

Figure 7c. Variation du point de puissance maximale dans le plan courant-tension en fonction de la température d’un panneau photovoltaïque.

Des animations interactives permettent un dimensionnement (à vocation uniquement pédagogique) de panneaux photovoltaïques alimentant une maison isolée ou connectés au réseau de distribution de l’électricité en intégrant les besoins en terme de consommation.