Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche ScientifiqueUniversité Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Mohamed ELLEUCH Attention ! Ce produit pédagogique numérisé est la propriété exclusive de l'UVT. Il est strictement interdit de la reproduire à des fins commerciales. Seul le téléchargement ou impression pour un usage personnel (1 copie par utilisateur) est permis Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Introduction générale 1‐ Les alternateurs 1.1 Introduction 1.2 Constitution 1.3 Fonctionnement a vide d’un alternateur 2‐ Comportement magnétique triphasé en charge 2.1 Réaction magnétique de l’induit (rmi) 2.2 Expression du couple électromagnétique 2.3 Etat magnétique global de l’alternateur 2.4 Equation aux tensions 2.5 Forces magnétomotrices 2.6 Schéma équivalent et diagramme vectoriel 3‐ Prédétermination des conditions de fonctionnement d’un alternateur triphasé en charge. 3.1 Machine a pôles lisses 3.2 Alternateur a pôles saillants 4‐ Caractéristiques de fonctionnement d'un alternateur triphasé 4.1 Caractéristique a vide 4.2 Caractéristique en court‐circuit 4.3 Caractéristiques externes 4.4 Caractéristiques de réglage 5‐ Couplage d'un alternateur sur un réseau 5.1 Conditions de couplage 5.2 Stabilité de l’alternateur accroche au réseau 6‐ Moteurs synchrones 6.1 Réversibilité de la machine synchrone 6.2 Couple électromagnétique 6. 3 Etude électrique en moteur 6. 4 Démarrage d'un moteur synchrone 7‐ Réglage de La vitesse 7.1 Principe 7.2 Moteur synchrone autopilote 7.3 De fluxage et survitesse 8. Machines synchrones particulières 8.1 Machine synchrone sans excitation 8.2 Moteur synchrone monophasé 8.3 Rendement 9‐ Modes d'excitation et refroidissement 9.1 Différents modes d'excitation 9.2 Refroidissement de l'alternateur par l’hydrogène Annexe 1 Enseignant : Mohamed ELLEUCH Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones INTRODUCTION GENERALE La machine synchrone est une machine très utilisée de par sa fonctionnalité et sa réversibilité. Elle est très utilisée dans la production d'énergie électrique (Génératrice synchrone équipant les centrales avec une puissance pouvant dépasser le GW (Fig.2)) et en traction ferroviaire et maritime en tant que moteur où la puissance atteigne les dizaines de MW (Fig.1) (Exemple : TGV Atlantique). Pour des puissances plus petites (quelques kW), on la trouve de plus en plus à la place de moteur à courant continu. Elle porte le nom d'alternateur lorsqu'elle transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique. Lorsqu'elle fonctionne en moteur, on lui donne le nom de moteur synchrone. Avec le développement de l'électronique de puissance, le moteur synchrone vient remplacer de plus en plus le moteur à courant continu. A partir des années 1985, les paquebots sont systématiquement équipés de moteurs de propulsion électriques. Il s’agit généralement de machines synchrones autopilotées d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW. A partir des années 1990, les trains à grande vitesse (TGV) de la SNCF sont équipés de moteurs électriques qui sont des machines synchrones autopilotées d’une puissance unitaire de 1,1 MW. De plus, ne possédant pas de dispositif balais-collecteur, ces moteurs disposent d'avantage de puissance massique. 2 Enseignant : Mohamed ELLEUCH 1 MW.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones a) b) Fig.1 Machine synchrone en tant que moteur : a) Paquebot équipé par 2 moteurs de propulsion électrique (type synchrone autopilotée) d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW. b) Chaque rame TGV possède 8 moteurs de 1. 3 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones a) 4 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . 2 Machine synchrone fonctionnant en alternateur : a) Dans une centrale hydraulique (Photo du barrage et Schéma de la centrale) (Dixence 1200 MW) b) Dans une centrale nucléaire (Gösgen : 1'020 MW) c) Dans une centrale thermique à Fuel ou à gaz 5 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones b) c) Fig. • la ventilation (refroidissement) des parties actives (fer et cuivre)…. Fig. en énergie électrique triphasée dont le transport et l’utilisation sont plus rationnels et plus rentables que dans le cas monophasé. 1-2- CONSTITUTION L’alternateur comprend essentiellement un stator et un rotor ou une roue polaire (Fig. fournie par un moteur ou une turbine. • l’accès « électrique » au rotor . 4) sont nécessaires pour permettre : 6 • la rotation du rotor à l’intérieur du stator .LES ALTERNATEURS 1-1- INTRODUCTION Les génératrices synchrones triphasées ou alternateurs triphasés sont des convertisseurs électromécaniques qui transforment l’énergie mécanique.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 1. • l’alignement du rotor .3). Enseignant : Mohamed ELLEUCH .3 Stator et rotor de machines synchrones Plusieurs accessoires (Fig. 4. produisant le champ magnétique tournant et qui sont à base d’aimants permanents (Fig.5b). Le rotor tourne à la même vitesse que le champ statorique.Organisation d’un alternateur Le circuit magnétique de l’alternateur canalise le flux entre les pôles.5a) ou électroaimants alimentés en courant continu (Fig. Il est constitué de deux parties: La roue polaire (rotor) portant les pôles inducteurs.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig. 7 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Il n'est donc pas nécessaire de le feuilleter. En triphasé. Pour des raisons économiques. le stator est souvent constitué de tôles épaisses.6 Evolution de la puissance massique des alternateurs 8 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Le stator est comparable à celui d'une machine asynchrone.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Enroulements Enroulements induits inducteurs Fig. Fig. circuit fixe (stator). le stator comporte 3 enroulements identiques à p bobines chacun.5 Configuration du rotor : (a) Aimants permanents (b) Electro aimant. Il est soumis à un flux tournant et doit être feuilleté. portant les bobinages induits. 98) les pertes.5 kg/kVA en 1950 est passée en 1980 à 0. La masse spécifique d’un alternateur de 156 MVA (125 MW) de l’ordre de 1. Enfin.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones L’amélioration des caractéristiques des alternateurs pendant ces dernières années résulte d’une augmentation progressive de l’induction B dans les circuits magnétiques et de la densité de courant dans les conducteurs ou encore la charge linéique (ampère tour par mètre). * les machines à pôles saillants pouvant comporter un très grand nombre de pôles. inhérentes à toute machine électrique. l’alimentation en courant continu des inducteurs est assurée par différents modes d’excitation. Malgré les rendements élevés de ces alternateurs (0.6).95 à 0. 1-2-1. se présente sous 2 formes distinctes définissant 2 familles de machines synchrones.Structure des rotors Le rotor. à savoir : * les machines à pôles lisses ou le nombre de paires de pôles p =1 ou 2. sont considérables.45 kg/kVA soit 3 fois moins pour un alternateur de 1650 MVA (1485 MW). des pertes de 2% représentent 30 000 KW ! Pour dissiper la chaleur correspondante plusieurs système de refroidissement sont mis en jeu : par eau et par hydrogène. Pour un alternateur de 1485 MW. 9 (a) Enseignant : Mohamed ELLEUCH . à aimants permanents ou à enroulement excité en courant continu. La comparaison des volumes de ces mêmes machines confirme les progrès réalisés (Fig. 7 Rotors d’un alternateur à pôles : (a) lisses (b) saillants (b) Relation avec la vitesse de rotation La vitesse de rotation N de la roue polaire est liée à la fréquence des fém induites f et au nombre de paires de pôles p par : N (tr/mn) = 60 f/p Si le réseau présente une fréquence f = 50 Hz. En effet. un des principaux obstacles à une vitesse élevée est la « force centrifuge ». La vitesse est aussi cause de déformations du rotor (flexion notamment) qui peuvent rendre son mouvement instable.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig. 10 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . on obtient alors : N= 3000(tr/mn) pour p = 1 (machine bipolaire) N= 1500 (tr/mn) pour p = 2 (machine tétrapolaire) N= 1000 (tr/mn) pour p = 3 N= 750 (tr/mn) pour p = 4 (machine hexapolaire) (machine hectapolaire) Dire qu’une machine est une machine à grande ou faible vitesse dépend de sa taille. qui peut abîmer le rotor. Par contre. doivent être considérées comme de grandes vitesses.𝝎) atteint une valeur telle que le rotor ne résiste pas à l'action de la force centrifuge. Étant donné que le diamètre du rotor et son nombre de pôles varient dans le même sens. sinon la vitesse tangentielle (v = R.8).Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Pour une machine puissante comme les alternateurs équipant les centrales électriques. une petite génératrice peut tourner beaucoup plus vite. on trouve des alternateurs de grand diamètre et de faible épaisseur (basse vitesse : Fig. à condition que sa fréquence électrique ne soit pas imposée. l’augmentation de la fréquence permet de réduire les dimensions des composants en questions. chose très recherchée pour le matériel embarqué !). et même 1500 ou 1000 tr/mn. Donc la vitesse de l’alternateur devient: N (tr/mn)= 60 f/p = 24000/p 11 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .8 Génératrice synchrone dans une éolienne (Direct Drive) Remarque: Les alternateurs embarqués alimente des réseaux à 400Hz (pour une même puissance. le montage des pôles ne pose pas de problème particulier au niveau de l'encombrement. ou de faible diamètre et de grande longueur (vitesse élevée). Fig. Une augmentation de la vitesse doit correspondre à une diminution du diamètre. des vitesses de 3000 tr/mn. c’est le poids et le volume. Pour une puissance comparable. sont réservés pour les vitesses importantes (3000 ou 1500 tr/mn). le rotor doit être réalisé sous forme d’un cylindre en acier forgé à haute résistance mécanique (Fig. Du fait des contraintes mécaniques très élevées provoquées par la vitesse de rotation correspondant à ces faibles polarités.9a). Ils sont à 2 ou 4 pôles et accouplés à des turbines à vapeur ou à gaz (on les appelle turboalternateur (Fig.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 1-2-1-1 Alternateur à pôles lisses Les alternateurs à pôles lisses. Le rotor est donc un cylindre plein portant des encoches périphérique et logeant les bobines excitatrices alimentées en courant continu (Fig. L’alternateur à pôles lisses est utilisé essentiellement dans les centrales thermiques ou nucléaires. appelés à entrefer constant.9a). (a) 12 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .9a). • S = 100 MVA à 3000 tr/m . longueur 5 m. on utilise quelques dizaines de mètres de longueur des rotors. N = 300 tr/mn . on augmente le diamètre du rotor pour garder une vitesse périphérique suffisamment grande. Par exemple. diamètre du rotor = 1. d’où l’utilisation de diamètre du rotor inférieur à 2 m. En contre partie. 13 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . diamètre rotor 1 m .Université Virtuelle de Tunis Aimants surfaciques Machines électriques Les Machines Synchrones (b) Aimants à concentration Fig. longueur =17m et le poids est de 200 tonnes.75m .9 Organisation du rotor d’une machine synchrone à pôles lisses: (a) inducteur à électroaimants (b) inducteur à aimants permanents Remarque : La force F appliquée sur la masse du rotor (F = mΩ2R). diamètre 5 m. 1-2-1-2 Alternateur à pôles saillants Si la vitesse est plus faible (ce qui est le cas avec certaines turbines hydrauliques). A titre d’exemples on a les caractéristiques de deux alternateurs : • S = 1250 MVA . Le rapport longueur-diamètre diminue. longueur 1 m. est très grande à cause de l’importance de la vitesse de rotation Ω . Elles utilisent généralement les chutes d’eau (Fig. Le rotor (roue polaire est un électroaimant alimenté en courant continu où chaque pôle est traversé par un flux 𝝓 constant. pour des puissances apparentes de quelques kVA jusqu'à environ 800 MW.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones La construction du rotor est complètement différente: roue formée d’une jante (assurant le retour du flux magnétique des pôles) sur laquelle sont fixés les pôles. dans : * les centrales hydrauliques (accouplé à des turbines Pelton. Ce sont les groupes électrogènes utilisés comme alimentation de secours. Les enroulements entourent les noyaux polaires (Fig.2).10) et le nombre de pôles minimal est fixé pratiquement à 4. * les groupes d’usage privé. où l’entrainement se fait par des moteurs diesel. chacun avec son bobinage. (a) 14 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Francis ou Kaplan) produisant de l’énergie électrique à un réseau national. Ce type d’alternateur est utilisé. 11 Photo du stator d’un alternateur Le stator feuilleté est constitué par une couronne de tôles magnétiques d’épaisseur d’environ 0.Circuit magnétique Fig. Le stator est pourvu d’encoches dans lesquelles sont distribués les conducteurs 15 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Organisation du Stator 1-2-2-1.10 Organisation de rotors à pôles saillants (a) inducteur à électroaimants (b) inducteur à aimants 1-2-2.5 mm et isolées entre elles par du vernis afin de diminuer les pertes par courant de Foucault.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones (b) Fig. 12a). la gamme de puissances des alternateurs se décline en fonction du mode de refroidissement (fluide et système) de la manière suivante : machine refroidie à air de l’ordre de 25 à 300 MVA.12.b).12 Bobines de l’enroulement induit.Enchevêtrées b. sont couplés en étoile. 600 MW en 1970 …1. machine refroidie à hydrogène de l’ordre de 300 à 550 MVA. a. machine refroidie à hydrogène/eau pour des puissances de l’ordre de 300 à 1200 MVA (2 pôles) et jusqu’à 2000 MVA pour une machine 4 pôles.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones d’un bobinage triphasé. comprenant chacun p bobines. Les 3 enroulements. soit avec des bobines séparées (Fig.Séparées c. Actuellement. Fig. on a assisté à une augmentation régulière des puissances des groupes turbo-alternateurs : 200MW en 1950.3 GW en 1980 pour atteindre ensuite les 2 GW. on utilise pour les grandes unités un enroulement à 2 couches (Fig.Enroulement à 2 couches 1-2-3. 12. L’enroulement de base des alternateurs étant à une couche. c). 16 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . 400 MW en 1960. Globalement. 1-2-2-2 Enroulements statoriques Chaque enroulement de l’induit se présente soit avec des bobines enchevêtrées (Fig.Les turboalternateurs modernes 1-2-3-1 Généralités Comme le rendement des installations augmente avec la puissance. L’ensemble turbo. L’alternateur a une longueur totale de 17. qui fonctionnent dans les centrales nucléaires. on les faisait. le diamètre des rotors ne peut pas dépasser une certaine valeur (1.9. tourner à la plus grande vitesse qu’il était possible. qui est à 4 pôles est de 1. Le diamètre du rotor. Tension nominale entre bornes : 20 KV . on doit augmenter la longueur du rotor. C’est pourquoi. A titre d’exemple.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Comme les turbines à vapeur s’accommodent bien avec les vitesses élevées. Dans ces conditions. pour augmenter la puissance apparente d’un alternateur. qui utilise des alternateurs à deux pôles. 17 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .alternateur a une longueur totale de 70 m.25 m environ) pour assurer une bonne tenue aux frettes qui retiennent les têtes de bobines. intensité nominale : 48 kA. Fig. Avec cette technique. des phénomènes de résonance mécanique peuvent causer de graves dommages. pour les très grosses puissances. initialement. La puissance de la turbine est de 1 300 MW avec un facteur de puissance de 0. ont les valeurs nominales suivantes : . on utilise les alternateurs à quatre pôles qui sont entrainés à 1500 tr/mn.13). à savoir : - Un premier corps à haute pression - Ensuite des corps à basse pression.13 Vue d’ensemble d’un groupe turbo-alternateur de 1300 MW La turbine qui entraine l’alternateur comporte plusieurs corps (Fig.95 m. mais au delà d’une certaine valeur.Puissance nominale apparente : 1 650 MVA . c'est-à-dire à la vitesse de synchronisme (soit 3 000 tr/mn pour la fréquence 50 Hz). les alternateurs des années 80.37 m et une masse de 240 t. Pour atténuer la transmission des vibrations radiales à la carcasse et aux fondations (vibration à fréquence 100 Hz). L’ensemble des tôles est serré au moyen de 2 plateaux d’extrémité en acier massif vissés contre les extrémités du barreau d’empilage. 18 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Ces tôles ont des pertes réduites de l’ordre de 1.14 Stator d’un turbo-alternateur 825 MVA.5 Tesla à 50Hz. Un écran en cuivre protège chaque plateau du flux magnétique alternatif développé par les têtes de bobines.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 1-2-3-2 Technologie de construction : a) Stator - Circuit magnétique : Fig. 20 kV Le stator est un assemblage de tôles magnétique d’épaisseur de 0.1 W/kg pour une induction de 1.35 mm isolées entre elles par émaillage au four. les barreaux d’empilage des tôles sont fixés à la carcasse par un dispositif découpleur de vibration (barreaux-ressorts). 15 Circuit magnétique du stator (a) feuilleté . à l’aide d’un ruban constitué de soie de verre et de papier mica. (b) protection contre têtes de bobines - Enroulement statorique Chaque encoche reçoit deux barres isolées pour la tension maximale de phase. Une « boite » en cuivre massif brasée à chaque extrémité de barre assure à la fois les liaisons électriques et les connexions « hydrauliques » au moyen de tubes en téflon. Cette méthode a pour effet de limiter les courants de circulation.16a). Un détecteur de température signale pour chaque boite toute anomalie. Les barres sont constituées par un ensemble de brins de cuivre mixtes pleins et creux. pré-imprégné au moyen de résines synthétiques époxydes. L’enroulement (y compris les têtes de bobines) est polymérisé à chaud et sous pression. Pour les maintenir dans l’encoche un double calage est nécessaire : cales de fermetures biseautées et cales latérales.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones a) b) Fig. Les brins sont soumis à des efforts électrodynamiques considérables notamment en cas de surintensités accidentelles ainsi qu’a des vibrations destructives. Ces brins ne sont pas constamment parallèles entre eux mais transposés selon une rotation variant de 360 à 540 degrés. Le conducteur creux autorise la circulation du réfrigérant de refroidissement (Fig. 19 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . 16b). a) Fig. Les bornes de sortie sont logées dans un caisson inférieur refroidi par circulation d’hydrogène. Chaque phase comprend 2 enroulements en parallèles et les trois phases sont couplées en étoiles.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Enfin les têtes de bobines agencées en développantes frontales sur deux plans sont soutenues par des anneaux et bridées. isolés entre spires par des entremises isolantes à base de stratifiés en verre époxy. Les tensions nominales sont comprises entre 20 et 30 KV et le courant par phase est actuellement limité aux environs de 50kA. Des matériaux isolants thermodurcissables assurent la rigidité mécanique et diélectrique. Des arbres de 237 tonnes issus d’un lingot de 500 tonnes sont couramment produits.17a).16 b) (a) Structure des barres statoriques refroidies par eau (b) Enroulement statorique double en étoile b) Rotor Le rotor est un arbre usiné dans une pièce de forge unique en acier au nickel chrome (Fig. Le point étoile constitue le neutre mis à la terre généralement à travers une résistance de limitation du courant de défaut (Fig. Ces enroulements disposés en bobines concentriques de conducteurs méplats en cuivre. 20 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Dans cet arbre. des entailles fraisées constituent les encoches qui reçoivent les enroulements inducteurs. 17b). Le rotor est muni d’un enroulement amortisseur formant une cage d’écureuil complète analogue à celle des rotors en court. Cet enroulement en barre de cuivre est logé sous les cales de fermeture d’encoche.circuit. Ces barres sont réunies à une couronne de courtcircuit. (a) (b) 21 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Les têtes de bobines soumises aux efforts centrifuges sont frettées.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones L’isolation par rapport à la masse comprend des réglettes au fond de l’encoche et la partie supérieure des bobines et un assemblage de panneaux en stratifié isolant sur les flancs (Fig. En réalité ces frettes sont des capots en acier de forte épaisseur qui coiffent les têtes de bobines. l’alternateur n’a pas son propre facteur de puissance.17 Organisation des enroulements rotoriques : (a) mise en oeuvre (b) isolation des conducteurs (c) organisation des amortisseurs 1-2-4.. facteur de puissance. Fig.18) telles que le nombre de phase. condition d’excitation (tension et intensité maximales).Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones (c ) Fig. son débit est limité par l’élévation de température acceptable. vitesse de rotation. puis des indications techniques (Fig. sous tension constante.Plaque signalétique Elle porte le nom du constructeur et le numéro d’ordre de fabrication. tension entre bornes. celui-ci dépendant de la charge (impédance au réseau) qui est branché à ses bornes. puissance apparente utile. C’est pourquoi il ne peut être caractérisé que par sa puissance apparente puisque. 22 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . service.18 Exemple de plaque signalétique Comme le transformateur. courant débités.Plaque signalétique et symboles 1-2-4-1.. Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Il serait donc souhaitable de faire fonctionner un alternateur. c’est pourquoi on accepte pour l’alternateur qu’il fonctionne avec un certain facteur de puissance qui est indiqué sur la plaque signalétique. tourne avec la pulsation Ω. qui alimente un réseau. 1-2-4-2 Représentation schématique Les machines synchrones se représentent dans les schémas par des symboles normalisés affectés des lettres GS lorsque la machine fonctionne en génératrice (alternateur) et MS dans le cas d’un moteur (Fig. pour résoudre les problèmes de régulation. cela n’est pas totalement possible.19 Symboles des machines synchrones a. 20 Schéma des enroulements 𝑒2 = 𝐸√2 sin(𝜔𝑡 − 𝑝𝛼 − 2𝜋/3) 𝑒3 = 𝐸√2 sin(𝜔𝑡 − 𝑝𝛼 − 4𝜋/3) 23 (stator triphasé. Cependant. avec un facteur de puissance égal à l’unité. Il apparait aux bornes de ces enroulements un système de tension triphasé équilibré : 𝑒1 = 𝐸√2 sin(𝜔𝑡 − 𝑝𝛼) Fig.rotor bobiné) Voir Vidéo Enseignant : Mohamed ELLEUCH .19).Alternateur triphasé b-Moteur synchrone triphasé c-Alternateur monophasé 1-3- FONCTIONNEMENT A VIDE D’UN ALTERNATEUR 𝜔 1-3-1 Expression de la fém induite La roue polaire d’’une génératrice triphasée portant p paires de pôles. Fig. Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Où : - la pulsation 𝜔 = 𝑝Ω la valeur efficace de la fém exprimée par la relation de Boucherot est : Avec : 𝐸 = 𝐾𝑃 𝑁𝑓∅𝑀 Kp : facteur de Kapp .21 Schéma simplifié de l’alternateur N : nombre total de conducteurs montés multipolaire en série dans un enroulement . Remarque : Si f = 50 Hz alors la vitesse du rotor N (tr/mn) = 3000/p 24 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Fig. On rappelle aussi que : 𝑓 = 𝜔/2𝜋 = 𝑝Ω/2𝜋 Dans le cas d’une répartition sinusoïdale du champ. f : la fréquence des fém induites . le flux maximum par pôle est : 2 ∅𝑀 = 𝑝 𝐵𝑀 𝐿𝑅 Où L est la longueur des conducteurs de l’induit (selon l’axe rotorique) . R le rayon de l’entrefer et p nombre de paire de pôles. ∅M : la valeur du flux magnétique qui sort d’un pole nord de la roue polaire. Ce qui limite les variations de la fém pour une perturbation donnée du courant d’excitation𝐼𝑒 . la courbe de magnétisation du circuit magnétique canalisant le flux. Le point de fonctionnement est choisi au delà Fig.22 La caractéristique à vide du coude de saturation.21) où on a présenté les axes des bobines de l’induit. l’alternateur fournit une fém proportionnelle à 𝝓M. c'est-à-dire : ∆𝐸 << ∆𝐼𝑒 .22).Caractéristique externe Entraînée à sa vitesse synchrone. les enroulements seront parcourus par des courants exprimés par : 𝑖1 = 𝐼√2 sin (ωt − Ψ) 𝑖2 = 𝐼√2 sin (ωt − Ψ − 2π/3) 25 𝑖3 = 𝐼√2 sin (ωt − Ψ − 4π/3) Enseignant : Mohamed ELLEUCH . à une constante près.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 1-3-2. la caractéristique ∅𝑀 (𝐼𝑒 ) représente alors. D’où l’allure de la caractéristique à vide 𝐸0 (𝐼𝑒 ) (Fig. En désignant le courant dans la roue polaire par 𝐼𝑒 . Les fém dans les trois enroulements ont pour expression : 𝑒1 = 𝐸√2𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡) 𝑒2 = 𝐸√2𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 − 2𝜋/3) 𝑒3 = 𝐸√2𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 − 4𝜋/3) Si cet alternateur débite dans une charge triphasée équilibrée provoquant un déphasage 𝛹. 22-1- COMPORTEMENT MAGNETIQUE TRIPHASE EN CHARGE REACTION MAGNETIQUE DE L’INDUIT (RMI) Considérons l’alternateur triphasé schématisé par (Fig. a) b) Fig. à un système de pôles tournants fictifs (par opposition aux pôles réels de la roue polaire). se compose avec celui de la roue polaire (d’axe OX).I) en charge est attribué.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Ces courants créent un champ magnétique tournant de même nombre de paires de pôles et de même vitesse de rotation que le champ tournant principal (voir théorème de Ferraris). M : mutuelle inductance entre 2 phases statoriques . L e déphasage entre l’axe du champ tournant résultant OXr et l’axe du champ glissant crée par les courants statoriques OXf est défini par l’angle : (𝛼𝑋𝑟 − 𝛼𝑋𝑓 ) (Fig. Ce champ magnétique tournant. 26 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Ce dernier champ résultant est le responsable des forces électromotrices induites dans les enroulements de l’induit.M.23 Réaction magnétique de l’induit (a) Organisation des différents champs tournants (b) Diagramme vectoriel en charge En menant l’étude sur une phase (phase 1 par exemple) avec les données suivantes : Ψ : déphasage entre fém induite et courant débité . L : inductance propre (ou magnétisante) d’une phase statorique . Ce champ glissant. pour donner le champ magnétique glissant résultant (d’axe OXr). par commodité. qui constitue la réaction magnétique de l’induit (R. d’axe OXf .23). �𝑟 . 27 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .M. On a ainsi : ∅s1= L I1+M I2 + M I3 Or la charge étant équilibrée (ou bien le système est à trois fils). I3 : Courants respectifs dans les phases 1. disposition des champs en charge (Fig.I) est longitudinale (directe) et démagnétisante Fig.24.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones ∅s1 : flux créé par les courants statoriques dans l’enroulement 1 . E1 : fém induite dans l’enroulement 1 par le flux résultant (∅r) . Sachant que : 𝐸�1 = −𝑗 𝑁 𝜔∅ a) Ψ = π/2 D’après (Fig. 2 et 3.23b) Où : (L – M) selon désigne l’inductance cyclique d’une phase. I2.24a). on a : I1 +I2 +I3 = 0 ∅s1= (L-M) I1 Ce qui fournit : (Fig.23b). on a alors : 𝛼𝑋𝑟 − 𝛼𝑋𝑓 = 𝛹 + 𝜋/2 Dans le cas d’une machine p polaires on obtient : 𝛼𝑋𝑟 − 𝛼𝑋𝑓 = (𝛹 + 𝜋/2)/𝑝 b) Ψ = 0 Examinons les cas particuliers suivants : • Ψ = 𝜋/2 (charge purement inductive) On obtient alors : 𝑝�𝛼𝑋𝑟 − 𝛼𝑋𝑓 � = 𝜋 c) Ψ = -π/2 Les pôles fictifs tendent à démagnétiser les pôles résultants : on dit que la réaction magnétique de l’induit (R. I1. M.I est transversale. créée par la roue polaire seule et ne dépend que de Ie. ce qui traduit le fait que l’alternateur est un récepteur d’énergie mécanique.Université Virtuelle de Tunis • Machines électriques Les Machines Synchrones Ψ = 0 (charge purement résistive) 𝑝�𝛼𝑋𝑟 − 𝛼𝑋𝑓 � = 𝜋/2 Les pôles fictifs sont régulièrement intercalés entre les pôles résultants (Fig.𝜋/2 : (charge purement capacitive) p(𝛼𝑋𝑟 − 𝛼𝑋𝑓 ) = − 𝜋/2 Les pôles fictifs se superposent aux pôles réels de même nom (Fig. Remarque A distinguer entre les deux fém Eo et Er : Eo : fém à vide. On dit que la R.24b). et passe par sa valeur maximale lorsque cet alternateur débite dans une charge purement active. • Ψ = . Er : fém résultante. La R. créée par le champ glissant résultant fonction de I et de Ψ 28 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .M. la puissance transmise à l’alternateur est : 𝑝(𝑡) = −(𝑒1 𝑖1 + 𝑒2 𝑖2 + 𝑒3 𝑖3 ) = −3𝐸 𝐼 cos 𝛹 = − 3𝐸 𝐼 sin (𝑝�𝛼𝑋𝑟 − 𝛼𝑋𝑓 �) Sachant que : 𝑝(𝑡) = 𝑃𝑒𝑚 = 𝐶𝑒𝑚 Ω On obtient l’expression du couple électromagnétique : 𝐶𝑒𝑚 = 𝑃𝑒𝑚 = −3 𝐸 𝐼 cos 𝛹/Ω Ω Le moment de ce couple est toujours négatif. 2-2- EXPRESSION DU COUPLE ELECTROMAGNETIQUE En négligeant les différentes pertes.24c).I est dite longitudinale et magnétisante. 27 Schéma équivalent par enroulement V = Et – R I 29 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . qui parcourt la roue polaire.induction de fuite. l’entrefer • et la carcasse d’induit dont on notera ∅r. Avec la convention des générateurs on a : Fig. Le flux de fuite ∅f des conducteurs de l’enroulement.25 Etat magnétique global de l’alternateur ∅𝑓 = 𝜆𝑖 où 𝜆 désigne un coefficient d’auto.27).26 Schéma équivalent traduisant la relation des fém Soit dans le plan de Fresnel (Fig.26) : 2-4- EQUATION AUX TENSIONS 𝐸𝑡 = 𝐸𝑟 − 𝑗 𝜆 𝜔 𝐼 Chaque enroulement de l’alternateur se comporte donc comme une source de fém interne et et de résistance interne R (Fig. Le flux total est exprimé par ∅t avec : ∅𝑡 = ∅𝑟 + ∅𝑓 = ∅𝑟 + 𝜆𝑖 La fém induite dans l’enroulement peut donc s’écrire : 𝑒𝑡 = 𝑒𝑟 − 𝜆 𝑑𝑖 𝑑𝑡 Fig.Université Virtuelle de Tunis 2-3- Machines électriques Les Machines Synchrones ETAT MAGNETIQUE GLOBAL DE L’ATERNATEUR Le flux magnétique dans la machine est décomposé en deux flux : • Le flux provenant du champ magnétique glissant résultant. qui circule essentiellement dans l’air (Fig.25) et peut être exprimé par : Fig. 28) : Une f.M.m en charge Selon le théorème de Ferraris : 3 𝐹𝑖 (𝐼) = 2 𝑛 𝐼 √2 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 − 𝛹𝑂 ) Voir Vidéo 30 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .m.R I.28 Différentes f.m Fi(I) provenant de la R.m. Le flux résultant ∅r responsable de la fém résultante Er est dû à (Fig. Remarque : Vu l’ordre des grandeurs de 𝜆ωI (quelques %) et de RI (<1%).FORCES MAGNÉTOMOTRICES Hypothèse : Machine à pôles lisses.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones d’où l’équation aux tensions d’une phase : V = Er .I Fig.m.j𝜆𝜔 I Er : fém créée par le champ tournant résultant 𝜆𝜔: réactance de fuite R: résistance d’un enroulement. on utilise parfois l’égalité: V ≈ Er 2-5.m Fe(Ie) due à la roue polaire 𝐹𝑒 (𝐼𝑒 ) = 𝑀 𝐼𝑒 cos (𝑝Ω𝑡) Une f. Où 𝛼 = 𝑘 𝑀 ̅ = 𝐼𝑒̅ + 𝐼𝑒𝑜 𝑘 𝐼 ̅ = 𝐼𝑒̅ + 𝛼 𝐼 ̅ 𝑀 est un réel positif caractéristique de l’alternateur. (1) peut s’écrire : 𝐹𝑟 = (𝑀𝐼𝑒 − 𝑗𝑘 𝐼𝑒 𝑗𝛹𝑜 )𝑒 𝑗𝜔𝑡 Où : 𝑘= On pose : 3 2 𝑛 √2 𝐹𝑟 = 𝑀𝐼𝑒𝑜 D’où : 𝜋 𝑀𝐼𝑒𝑜 = 𝑀𝐼𝑒 + 𝑘𝐼𝑒 −𝑗(𝛹𝑜 + 2 ) M 𝐼𝑒𝑜 représente la valeur maximale de la f.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones D’où la f. (𝐼𝑒𝑜 .m.m.m résultante : 3 𝐹𝑟 = 𝐹𝑒 (𝐼𝑒) + 𝐹𝑖 (𝐼) = 𝑀𝐼𝑒 cos(𝑝Ω𝑡) + 2 𝑛 𝐼√2 sin (𝜔𝑡 − 𝛹𝑂 ) Où : (1) M : est le nombre de spires inductrices portées par une paire de pôles n : nombre de spires d’une bobine de l’induit.m résultante.m en alimentant la roue polaire seule par un courant continu d’intensité 𝐼𝑒𝑜 . l’alternateur voit apparaitre aux bornes d’un enroulement une fém de valeur efficace Er. 𝐸𝑟 ) est le couple des coordonnées d’un point de la caractéristique à vide. Donc.m.m.29) la représentation du diagramme vectoriel des intensités ou des f. On montre sur (Fig. Dans le plan de Fresnel. 31 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .m. On aurait la même f. A vide. excité par Ieo. 32 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .m.m 2-6.29 Diagramme vectoriel des f.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig.30). Les équations permettent de donner le schéma équivalent (Fig.SCHEMA EQUIVALENT ET DIAGRAMME VECTORIEL Les équations aux tensions et aux intensités d’un alternateur triphasé s’écrivent donc : 𝑉� = 𝐸�𝑟 − 𝑅 𝐼 ̅ − 𝑗 𝜆 𝜔 𝐼 ̅ ̅ = 𝐼𝑒̅ + 𝛼 𝐼 ̅ 𝐼𝑒𝑜 𝐼𝑒𝑜 : courant d’excitation qui permet d’avoir Er à vide. ce qui permet d’écrire : 𝐹𝑟 = 𝑀 𝐼𝑒𝑜 cos (𝜔𝑡 − 𝜉) D’où la fém résultante: 𝑒𝑟 = −𝑘 ′ 𝜙𝑟 = 𝜙𝑟𝑚 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 − 𝜉) 𝑑 𝜙 = 𝑘 ′ 𝜔∅𝑟𝑚 cos(𝜔𝑡 − 𝜉 − 𝜋/2) 𝑑𝑡 𝑟 Er est donc en quadrature retard sur Fr. OXf ) = au déphasage entre Ieo et I soit : ψ + 𝜋/2. 33 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig.31) Nous vérifions encore : Le déphasage (OXr.30 Schéma équivalent d’un alternateur L’impédance interne des pertes est : 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝜆𝜔 D’après la relation d’Hopkinson Ni = ℜ∅ on a : ∅r en phase avec Fr. Dans la convention de signe des générateurs on a : • • 𝐼𝑒𝑜 et 𝜙𝑟 ont la même phase Er est en quadrature arrière sur Ieo D’où le diagramme vectoriel traduisant les équations précédentes (Fig. le diagramme de Potier ne s’applique donc qu’aux alternateurs à entrefer constant. En toute rigueur.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig. 34 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Ceci n’est vrai que si la réluctance du flux résultant est indépendante du positionnement des pôles du champ tournant résultant par rapport à la roue polaire. c'est-à-dire à pôles lisses. MACHINE A POLES LISSES 3-1-1 Diagramme de Potier On a supposé que la valeur maximale ∅rm du flux magnétique ne dépend que de la valeur maximale MIeo de la f.PREDETERMINATION DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT D’UN ALTERNATEUR TRIPHASE EN CHARGE.m tournante résultante.31 Diagramme vectoriel complet 3. Hypothèse : 3-1- - L’alternateur débite sur une charge triphasée équilibrée - L’étude sera faite par phase (sur un seul enroulement).m. 32) : 3-1-1-2.Diagramme vectoriel : Fig.33 Diagramme vectoriel (modèle de Potier) 35 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 3-1-1-1.Schéma équivalent Fig.32 Schéma équivalent du modèle de Potier Les équations de fonctionnement de ce modèle sont : 𝑉� = 𝐸�𝑟 − 𝑅 𝐼 ̅ − 𝑗 𝜆 𝜔 𝐼 ̅ ̅ = 𝐼𝑒̅ + 𝛼𝐼 ̅ 𝐼𝑒𝑜 Er et Ieo sont liés par : La caractéristique à vide Eo(Ie) Une quadrature de phase (Ieo en avance sur Er) On peut donc déduire le schéma équivalent suivant (Fig. 33). 3-1-2-1 Schéma équivalent L’alternateur non saturé permet de décomposer le flux résultant en la somme des flux que créent séparément la roue polaire (∅𝑜 ) et le bobinage de l’induit (∅𝑖 ) : ∅𝑟 = ∅𝑜 + ∅𝑖 (1) Puisque le circuit est linéaire. L’équation finale est donc : 36 𝑉� = 𝐸�𝑂 − 𝑅𝐼 ̅ − 𝑗𝑋𝑠 𝐼 ̅ Enseignant : Mohamed ELLEUCH . 3-1-2. les fém seront : ∅𝑖 = 𝐿𝐼 ̅ (L = inductance cyclique) 𝐸�𝑟 = 𝐸�𝑜 − 𝑗𝐿𝜔𝐼 ̅ (2) (3) Utilisant la relation (3). l’équation aux tensions devient : En notant : 𝑉� = 𝐸�𝑟 − 𝑅 𝐼 ̅ − 𝑗 𝜆 𝜔 𝐼 ̅ = 𝐸�𝑂 − 𝑅𝐼 ̅ − 𝑗(𝜆 + 𝐿)𝜔𝐼 ̅ (4) ((𝜆 + 𝐿)𝜔 = 𝑋𝑆 ) XS : est appelée réactance totale d’un enroulement ou d’une phase de l’alternateur (Noté aussi Xd est appelée réactance directe ou réactance synchrone).Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Supposons connues les grandeurs caractéristiques d’un enroulement : R.Diagramme de la réactance synchrone (Behn. I et . tracé pour le cas d’une charge capacitive. 𝜆𝜔 et 𝛼 . on pose alors : D’après (1) et (2). en partant des données V. - Alternateur à pôles lisses. on peut construire le diagramme vectoriel (Fig.Eschunburg) Hypothèse : La méthode précédente simplifiée avec : - Circuit magnétique d’un alternateur non saturé. d’où l’hypothèse souvent utilisée : Rs << Xs : (Rs est négligeable devant Xs).34).35) : la caractéristique de court-circuit Icc(Ie) (Fig. Le schéma équivalent par phase est illustré par (Fig.2. Fig.36 Fig.35 Caractéristique à vide et Fig. 3-1. Xs% est généralement de 30 à 120% ! Par contre.2 Détermination de la réactance synchrone : On détermine Xs en relevant à fréquence constante: la caractéristique à vide Eo(Ie) (Fig. Rs% est généralement < 1% . 37 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .37).34 Schéma équivalent (Behn-Eschunburg) et diagramme vectoriel correspondant Paramètres en % : Xs% = 100 Xs/Zb .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Où Eo désigne la fém induite à vide lorsque l'excitation est alimentée par le courant le. Zb = Un²/Sn Avec : Zb désigne l’impédance de base de l’alternateur. la roue polaire entrainée à Ω. on obtient par variation du courant Ie la caractéristique Icc(Ie). Pour la zone non saturée. En commençant avec un courant dans la roue polaire réduit. on a obtenu la caractéristique Eo(Ie). Cette caractéristique Eo(Ie) est approchée par une droite affine: 𝐸𝑜 = 𝑘𝑒 𝐼𝑒 Lors de l’essai en court-circuit. 𝐸𝑜𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑐 = 𝑘𝑐𝑐 𝐼𝑒𝑐𝑐 = 𝑘𝑒 𝐼𝑒𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑐 Connaissant la résistance R d’un enroulement (mesurée à chaud). En effet : ̅ (𝑅 + 𝑗𝑋𝑠 ) 𝐸�𝑂𝑐𝑐 = 𝐼𝑐𝑐 C'est à dire: 𝐸𝑜𝑐𝑐 = 𝐼𝑐𝑐 �𝑅 2 + 𝑋𝑆2 = 𝑍𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑐 D’autre part. on tire alors la valeur de Xs par la formule (comparable au transformateur) : 𝑋𝑠 = �𝑍𝑐𝑐 ² − 𝑅 ² Fig.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Lors d'un essai à vide.36 Schéma de l’essai en court-circuit Tenant compte de l’hypothèse Xs ≫ R. est alimentée par Ie. on peut écrire : 38 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . 𝐸𝑜𝑐𝑐 = 𝑘𝑒 𝐼𝑒𝑐𝑐 𝑍𝑐𝑐 = Qui est l’équation d’une droite. on peut conclure que Icc/Ie = constante (Fig.3. traduisant tout simplement l'équation: 𝐸�𝑂 = 𝑉� + 𝑅𝐼 ̅ + 𝑗𝑋𝑠 𝐼 ̅ Fig.Diagramme vectoriel Connaissant l'impédance interne Z= R + j Xs . pour un fonctionnement donné en charge.1. I et 𝜑. Du fait que Xs ≫ R.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 𝑋𝑠 ≈ 𝑍𝑐𝑐 = Remarques : 𝐸𝑜𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑐 Vu la linéarité de la courbe Icc(Ie).37 Caractéristique à vide en court-circuit 39 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . on peut construire le diagramme des tensions (Fig.38). 3. l'alternateur se trouve dans les conditions d'une charge purement inductive. défini par : V.37). lors du fonctionnement en court-circuit.2. 39 Décomposition du flux selon le diagramme de Blondel 40 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .38 Schéma équivalent pour différentes charges et diagramme vectoriel correspondant 3.2 ALTERNATEUR A POLES SAILLANTS 3-2-1 Présentation du diagramme de Blondel Fig.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig. OXr �. La composante Ia est en phase avec Ed.j 𝜏 Ia .R I .R I = Ed .j 𝜆 𝜔 I V = Et . la composante Eq est une fém d'auto-induction associée à Ia.j 𝜏 Ia D’où finalement: Et = Ed . car OX est pris comme axe de référence et appelé aussi axe direct d. Si on note 𝜏 la réactance cyclique transversale d'un enroulement.une composante transversale ∅q selon l'axe en quadrature Oq.39): .j 𝜆 𝜔 I 41 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . le flux total serait donc : ∅t = ∅r + ∅f = ∅d + ∅q + ∅f (1) 3. On a alors : ∅r = ∅d + ∅q Tenant compte du flux de fuite ∅f . on a donc: Eq = .une composante longitudinale ∅d selon l'axe direct Od = OX (axe de la roue polaire). on déduit la fém totale dans un enroulement: E t = Ed + Eq + Ef = Ed + Eq – j 𝜆 𝜔 I La composante transversale ∅q du flux résultant est due à la composante active du courant de l'induit Ia. On décompose le flux ∅r en deux (Fig.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones La réactance du circuit magnétique parcouru par le flux résultant est fonction du décalage 𝜑 des axes OXr (champ tournant résultant) et OX (champ de la roue polaire): � 𝜑 = �OX. .2 Equation aux tensions : De la relation (1) entre les flux. Le circuit emprunté par ce flux ne se saturant pas.j 𝜏 Ia .2. En effet on a : AC = 𝜏 I cos 𝜓′= 𝜏 Ia La caractéristique à vide permet donc de déduire Ieod sachant que Ieod et Ed sont liés par celle-ci.2.4 Diagramme vectoriel : Ieod = Ie + 𝛼 Ir Le diagramme de Blondel (appelé aussi de la double réaction) traduit les deux équations suivantes (Fig. Le même raisonnement mené pour la méthode de Potier donne: la f. D'où: 3.m Ieod est responsable de Ed avec le couple (Ieod. On montre aisément que le point C est bien l’extrémité de Ed.m.𝛼 Ir Er = V+R I + j 𝜆 𝜔 I On construit le point B extrémité du vecteur (Er + j 𝜏 I) On projette l’extrémité A de Er sur OB.m : La composante longitudinale (directe) du flux est due à l'action conjuguée de la roue polaire et de la composante réactive des courants de l'induit Ir (en quadrature donc avec Ed). Ed) coordonnées d'un point de la caractéristique à vide.40): Ed = V+R I + j 𝜏 Ia + j 𝜆 𝜔 I On trace alors : Ie = Ieod .3 Equation aux f.m.2.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 3. 42 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Elle est relevée au cours d'un essai à circuit ouvert.CARACTERISTIQUE A VIDE C'est la courbe Eo (Ie) à la fréquence nominale et à courant induit I = 0 (Fig.41). Fig.41 Essai à vide: (a) Montage (b) Caractéristique 43 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .40 Diagramme vectoriel de Blondel 4.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig.1.CARACTERISTIQUES DE FONCTIONNEMENT D'UN ALTERNATEUR TRIPHASE 4. Le rapport de court-circuit est défini par : Où: 𝜌 = Ieon / Ieccn .2. a) b) Fig.Ieon : Courant d'excitation qui permet d'avoir la tension nominale à vide.42). .42 Essai en court circuit : (a) Schéma de montage (b) Caractéristique 44 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . On réalise un court-circuit triphasé aux bornes de l'induit.Ieccn : Courant d'excitation qui permet d'avoir le courant nominal en court-circuit.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 4.CARACTERISTIQUE EN COURT-CIRCUIT C'est la relation Icc (Ie) à la fréquence nominale et à U = 0. Elle est relevée au cours d'un essai en court-circuit (Fig. Cette caractéristique est linéaire pour les valeurs réalisables de l'intensité du courant induit. tension et cos𝜑 constants (Fig.43) .CARACTERISTIQUES EXTERNES Ce sont les relations de la forme V(I) à f = fn. Comme les alternateurs travaillent généralement à tension constante.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 4.43 Caractéristiques en charge 4. ces courbes permettent de calculer les dispositifs d’excitation et de régulation de la tension.4. Ie et cos𝜑 constants. Fig.44). On remarque à nouveau les effets démagnétisant et magnétisant des charges respectivement inductives et capacitives (Fig. 45 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . On les relève en charge.CARACTERISTIQUES DE REGLAGE : Ce sont les courbes Ie(I) tracées à fréquence.3. pour obtenir le meilleur rendement global de la centrale. 5.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig. D'autre part.COUPLAGE D'UN ALTERNATEUR SUR UN RESEAU En général.1. il faut que les bornes homologues de l'alternateur et du réseau soient aux 46 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . c'est à dire que chacune d'elles travaille en liaison avec les autres. Elles reçoivent tous les jours. il faut mettre de nouvelles unités en service dans les périodes chargées de la journée et les mettre hors service durant les périodes creuses. nous savons que le rendement d'un alternateur est maximal aux environs de sa charge normale. un programme qui prévoit et fixe pour les différentes heures l'énergie à fournir au réseau national. les centrales productrices de l'énergie électrique sont interconnectées sur le réseau. Dans ces conditions.44 Caractéristiques de réglage 5. d'un organisme central appelé "dispatching".CONDITIONS DE COUPLAGE Pour éviter le fait de connecter les bornes d'un alternateur triphasé aux bornes d'un réseau triphasé s’accompagnent de l'apparition de courants importants et dangereux dans les enroulements. il faut s'assurer que les deux systèmes de tensions étoilées triphasées V1. Fig.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones mêmes potentiels. - ils sont de même fréquence. - deux tensions homologues Vi et Ei ont même phase.45) est accouplé au réseau après satisfaction des conditions ci-dessus. (aux bornes de l’alternateur satisfont aux conditions suivantes : - Ils ont même ordre de succession des phases.V3 (aux bornes du réseau) et E1. Le montage élémentaire de laboratoire de l’alternateur G2 (Fig.45 Montage de laboratoire pour l’accrochage de l’alternateur au réseau Voir cette présentation: feu battant Voir cette présentation: feu tournant 47 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . - Ils ont même valeur efficace des tensions.V2. Pour cela. E3. E2. 2.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 5.2.46) : V = E o .V*) / (-j Xs) (3) En remplaçant (3) dans (1) on obtient: S = 3j (V Eo-V2)/Xs (4) D'après (Fig. Fig.j Xs I (1) (2) (2) permet de tirer: I* = (Eo * . on obtient (Fig. on pose: 48 V=V (5) Eo = Eo (cos𝜃 + j sin𝜃) (6) Enseignant : Mohamed ELLEUCH .1.j Xs I Déterminons le couple électromagnétique développé par l’alternateur (couple résistant opposé au couple du moteur d’entrainement).Stabilité En utilisant le modèle de la réactance synchrone et en négligeant R devant XS.46 Diagramme de fonctionnement en charge La puissance apparente complexe s'écrit: S = P+jQ = 3V I* avec V = E o . 46).STABILITE DE L’ALTERNATEUR ACCROCHE AU RESEAU 5. Fig.m. La puissance maximale que peut débiter l'alternateur est: Pmax = 3VEo / Xs On caractérise la stabilité du fonctionnement par la pente de la courbe Cr(𝜃) au point 49 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .m de la roue polaire et du champ résultant (appelé aussi angle interne de l’alternateur en charge).47 Couple résistant en fonction de l’angle interne On reconnaît 𝜃. Ceci est vérifié dans la partie ascendante de Cr(𝜃) correspondant à : 0 ≤ 𝜃 ≤ 𝜋⁄2. En fonctionnement alternateur.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones En remplaçant (5) et (6) dans (4) on tire: P = ℜ(S) = 3 V Eo sin𝜃 / Xs En négligeant les pertes dans l'alternateur. décalage angulaire entre les f. Rappelons aussi que : 𝜃 = 𝑝(𝛼𝑋 − 𝛼𝑋𝑟 ) La courbe (Fig. la puissance active absorbée est égale à la puissance active fournie. le fonctionnement est stable si et seulement si θ augmente lorsque Cr augmente. Ω et V constants. D'où : P = Cr 𝛺 et 𝐶𝑟 = 𝑃/ 𝛺 = 3𝑉𝐸0 sin𝜃 𝑋𝑆 Ω Cr est le couple résistant opposé par la roue polaire de l'alternateur. 47) traduit les variations Cr(𝜃) à Ie . C’est à dire: .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones considéré.𝜃 tend vers 𝜋/2 (surcharge excessive) . L'équation caractéristique du mouvement du rotor est: Cm-Cr = J d𝛺/dt En régime permanent. cette grandeur est appelée moment du couple synchronisant: 𝐶𝑠 = 3 𝑉𝐸𝑜 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑋𝑠 𝛺 Quand un écart ∆𝜃 provient. il apparaît un couple de rappel de moment: 𝛤 s = Cs ∆𝜃. Remarque: Pour obtenir une bonne stabilité. Il y aura des risques importants de décrochage si : .une excitation importante (Eo grande). .V= 0 (court-circuit aux bornes de l'alternateur) .47). Tout se passe comme s'il y a attraction des pôles nord de la roue polaire par les pôles sud du rotor fictif. * Point de Fonctionnement A: 0 ≤ 𝜃 ≤ 𝜋�2 Si la perturbation est caractérisée accroissement de 𝜃. 𝜃 augmente considérablement et l'alternateur décroche. Examinons le cas de deux points de fonctionnement A et B porté sur (Fig. * Point de Fonctionnement B: 𝜋�2 ≤ 𝜃 ≤ 𝜋 𝜃 augmente. Le rotor est donc freiné pour ramener l'alternateur à sa position de départ.Ie = 0 (panne de la source d'excitation) Voir Vidéo 50 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . on doit avoir un couple synchronisant Cs > 0. Comme Cm est constant. on obtient Jd𝛺/dt négatif. alors Cr augmente. alors Cr diminue d'où Jd𝛺/dt devient positif et la roue polaire accélère. Ω = constante d'où Cm = Cr.une réactance synchrone Xs faible (entrefer important). 48 Organisation des amortisseurs Leblanc 51 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . ceci pour étouffer aussi bien les champs glissants longitudinaux que ceux qui sont transversaux (Fig. Fig. On limitera la durée de ces phénomènes transitoires en disposant un amortisseur de Leblanc sur la roue polaire.48). pulsation dans le couple moteur).2.49). Les barres de l'amortisseur sont court-circuitées par deux anneaux communs à toutes les barres et situés aux deux extrémités du rotor.Amortisseurs Leblanc : Toute variation brutale du fonctionnement donnera lieu à un mouvement d'oscillations amorties (pompage électrique). (Fig. Cet enroulement est parfois utilisé pour démarrer un moteur synchrone en asynchrone. L’amortisseur intervient donc chaque fois que le champ tournant subit une variation (variation rapide de la charge. Des courants induits naissent dans l'amortisseur et produisent un couple qui atténue les oscillations et maintient le synchronisme.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 5 -2. 52 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .49 Fonctionnement des amortisseurs Leblanc (quand Ω roue polaire diffère de Ω du champ tournant résultant) Remarque : Les machines synchrones dont l’induit est connecté à un dispositif électronique de puissance n’ont pas besoin d’amortisseur Leblanc. Ces machines sont donc plus compactes. car la stabilité peut être assurée par la commande de l’électronique.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Enroulement d’excitation Fig. 50 (a) Fonctionnement en génératrice (b) Diagramme vectoriel correspondant 53 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . la machine synchrone passe d'un fonctionnement générateur à un fonctionnement moteur.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 6.1. L'angle interne 𝜃>0 (Eo est en avance de phase sur V).REVERSIBILITE DE LA MACHINE SYNCHRONE Accrochée au réseau.Fonctionnement en génératrice : La roue polaire est entraînée à la vitesse du synchronisme (Fig. 6-1. selon que la machine d'entraînement lui fournit un couple moteur ou un couple résistant.50). la machine fournit alors de l'énergie électrique au réseau.MOTEURS SYNCHRONES 6-1. a) b) Fig. La roue polaire est en avance d'un écart angulaire 𝜃 sur les pôles résultants qui tendent à freiner celle-ci. Les pôles de la roue polaire seront retardés sur les pôles résultants d'un écart angulaire 𝜃 < 0. ainsi la machine synchrone fournit de l'énergie mécanique à la machine qui lui est accouplée et absorbe de l'énergie électrique du réseau.2. (a) (b) Fig.Fonctionnement en moteur : La roue polaire va être freinée par la charge mécanique.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 6-1.51 (a) Fonctionnement Moteur (b) Diagramme vectoriel correspondant 54 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . En fonctionnement alternateur.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 6. 𝜋 La stabilité de fonctionnement est assurée pour: 0 ≤ 𝜃 ≤ 2 . le couple électromagnétique Cem est négatif (𝜃 > 0). 𝜋 La stabilité de fonctionnement est assurée pour : − 2 ≤ 𝜃 ≤ 0. on obtient : Pm= -Pe = -3VEO sin 𝜃 /Xs Le couple électromagnétique est donc : Cem = Pm/Ω = -3VEO sin 𝜃 /(Xs Ω) La figure 52 représente l’allure de cette fonction.2. En fonctionnement moteur.COUPLE ELECTROMAGNETIQUE En négligeant les pertes dans la machine. la machine fournit de la puissance mécanique Cem> 0.52 Couple électromagnétique en fonction de l’angle interne d’une machine synchrone 55 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Fig. donc 𝜃<0 (les pôles résultants sont en avance sur les pôles de la roue polaire). 3.1.3-1-2 Modèle de Potier Le schéma équivalent est indiqué par (Fig.Schémas équivalents Le moteur satisfait aux mêmes lois que l'alternateur et peut être représenté par les mêmes schémas équivalents.55b).53 Modèle de la réactance synchrone pour un moteur 6.ETUDE ELECTRIQUE EN MOTEUR 6. 56 On constate que toutes choses égales par ailleurs (V.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Remarque: Les conditions d'une bonne stabilité et les causes de décrochage sont les mêmes que celles de l'alternateur.54) et traduit les équations suivantes: V = RI + j 𝜆𝜔I + Er Ie = Ieo + 𝛼 I On représente les diagrammes vectoriels de Potier dans le cas où le moteur se comporte comme une charge inductive (Fig. il faut Enseignant : Mohamed ELLEUCH . Toutefois. D'ou les modèles permettant de prédéterminer le fonctionnement d'un moteur synchrone triphasé alimenté par un réseau triphasé équilibré.3.3.Modèle de Bhen-Eschunburg Identique à celui de l’alternateur. I et cos𝜑). il se réduit à l’équation : V = RI + j XS I + EO Fig. Nous obtenons les schémas équivalents suivants pour une phase: 6.1. 6.55a) et capacitive (Fig. il faut utiliser les conventions de signes récepteurs.1. Fig.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones surexciter la machine pour passer du comportement inductif au comportement capacitif.54 Modèle de Potier pour un moteur Fig.55 Diagramme de Potier pour un moteur : (a) Comportement selfique 57 (b) Comportement capacitif Enseignant : Mohamed ELLEUCH . O′[ => I est en retard de φ sur la tension V: c'est donc un comportement selfique et le moteur absorbe de la puissance réactive. le comportement est purement actif). .Si 𝐶 ∈ [O. x[ => I est en avance de phase sur V. on obtient (Fig. Donc I et 𝜑 doivent changer. Le moteur synchrone étant alimenté sous une tension fixe à fréquence et puissance constantes. le courant I passe par sa valeur minimale (cos𝜑 = 1). 58 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . .2. .3. La droite Δ’1 est le lieu des fonctionnements équipuissances réactive absorbée associée à Q1.La puissance réactive est proportionnelle à O'C puisque : O’C = XS I1sin𝜑1 = (XS/3V) 3V I1sin𝜑1 = (XS/3V) Q1 Q1 étant la puissance réactive absorbée par la machine. EO change et puisque P est une constante alors l'extrémité A1 de Eo doit se déplacer sur ∆l. .Si C ∈ ]O'.Quand Al est en Aa (𝜑= 0.Courbes de Mordey (en V) Le diagramme est analogue à celui de Bhen-Eschunburg pour la génératrice dans le cas où on néglige la résistance d'un enroulement devant sa réactance synchrone Xs. .La droite Δ1 est le lieu des fonctionnements équipuissances mécaniques. . . On remarque que: O'Aa = Xs I1cos𝜑1 = (XS/3V) 3V I1 cos𝜑1 = (XS/3V) P1 Où P1 désigne la puissance électrique active absorbée par la machine dans le fonctionnement associé au point A1.OAo représente la limite de stabilité pour une puissance Pl donnée (𝜃=𝜋/2).La distance de la droite d'équipuissance active à la tension V (axe OX) est donnée par: O'Aa = (Xs /3V) P Donc en variant Ie .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 6. Le moteur fournit alors de la puissance réactive au réseau.56). on a alors: Q = 3VI sin𝜑 = .3VI (1) puisque 𝜑= . si on néglige les pertes du compensateur. L'équation aux tensions se réduit à la relation algébrique: 59 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .57).3.𝜋/2. ce qui permet d'améliorer le cos𝜑 du réseau quand sa charge est fortement inductive.56 Fonctionnement à puissance constante 6. On le surexcite pour qu'il fournisse de la puissance réactive au réseau. en négligeant R devant Xs. Le diagramme bipolaire se réduit alors à celui présenté à (Fig.Compensateur synchrone : On utilise parfois le moteur en fonctionnement à vide sur le réseau. De plus.3.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig. On effectue alors le couplage sur le réseau d'alimentation (comme le cas de l'alternateur). 60 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Procédés de démarrage 6. La caractéristique à vide Eo(Ie) permet de tirer le courant Ie à utiliser dans la roue polaire pour obtenir Q. En conclusion.Couple de démarrage On alimente l'induit d'un moteur synchrone.4.1 Accrochage au réseau On entraîne la machine en alternateur à vide grâce à un moteur auxiliaire jusqu'à sa vitesse de synchronisme.4. d'où l'action d'attraction et de répulsion exercée sur la roue polaire: le couple résultant moyen est donc nul.DEMARRAGE D'UN MOTEUR SYNCHRONE 6. la roue polaire alimentée est immobile. la roue polaire voit défiler une succession de pôles nord et sud à la vitesse de synchronisme Ω.2.1. Fig. l'équation (1) donne l'intensité du courant de l'induit et l’équation (2) permet de calculer la fém à vide Eo.57 Fonctionnement en compensateur synchrone 6. 6.4.Université Virtuelle de Tunis E o = V + Xs I Machines électriques Les Machines Synchrones (2) Connaissant Q.4. le moteur synchrone ne peut pas démarrer en direct sur son réseau d'alimentation. Enfin.2. A cause de son inertie. Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 6.3 Démarrage à fréquence progressive Fig.2 Démarrage en asynchrone On démarre en moteur asynchrone (Fig.2.59 Démarrage à fréquence progressive d’un moteur synchrone 61 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .58 Démarrage en asynchrone d’un moteur synchrone 6-4-2. La masse de la roue polaire et l'amortisseur de Leblanc vont jouer le rôle du "rotor à cage" du moteur asynchrone. Remarque: On ferme généralement la roue polaire sur une résistance (5 à 8 fois sa propre résistance) pour augmenter le couple moteur et limiter la tension qui apparaît entre ses bornes (Fig.58) (Courant dans la roue polaire nul).4. on alimente alors la roue polaire.58). Quand le moteur atteint une vitesse voisine du synchronisme. Fig. ce démarrage s’effectue parfois sans courant d’excitation (mais alors. la mise sous tension du moteur produit un transitoire dont on espère qu’il amènera le moteur à la vitesse de synchronisme en une période électrique.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Les problèmes de démarrage ne se posent pas dans le cas d’un moteur alimenté par un onduleur (dispositif électronique de puissance) car on peut alors partir d’une fréquence très faible que l’on augmente progressivement. Fig.2. 7. Certains moteurs synchrones destinés à être connectés au réseau disposent cependant d’une alimentation à fréquence variable (électronique ou autre) qui ne sert qu’au moment du démarrage.60). Dans le cas des moteurs à pôles saillants.PRINCIPE Un moteur synchrone ne peut fonctionner qu’au synchronisme. 6. Il faut réduire la tension lorsque la fréquence est faible car il n’y a pas beaucoup de force contre-électromotrice.4 Démarrage des moteurs à faible inertie Pour les moteurs relativement petits.4.REGLAGE DE LA VITESSE 7-1. la caractéristique mécanique se résume à un segment de droite vertical (Fig. La vitesse de rotation étant liée à la fréquence d'alimentation.60 Caractéristique mécanique du moteur synchrone 62 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . l’accrochage risque de se faire avec la mauvaise polarité) ou avec un courant d’excitation réduit. La tension du réseau est redressée. on a : OA = Eo cosψ = V cos𝜑 D’où l’en tire la puissance active absorbée par le moteur: 63 𝑃 = 3𝑉𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 3 𝐸𝑜 𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜓 ≈ 𝐶.61 Diagramme vectoriel : Fonctionnement en charge du moteur synchrone avec contrôle de θ ou de Ψ D’après le diagramme vectoriel de la figure 61.59). Fig. on réalise un asservissement de la machine synchrone.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Le meilleur moyen de faire varier la vitesse d’un moteur synchrone est de l’alimenter à fréquence variable. ns) avec ns = 60 f /p . On peut dans ce cas obtenir un moteur de meilleures performances que dans le cas classique. Pour pouvoir garder le contrôle du couple. ce qui permet de déplacer aisément la caractéristique mécanique qui passe par le point (0. 𝛺 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . puis la tension continue obtenue est transformée en tension AC dans un onduleur (dispositif électronique de puissance Fig. On contrôle ψ si l’alimentation est une source de courant. Ce système s’apparente à un moteur à courant continu puisque le couple : 𝐶= 64 3 𝐸𝑜 𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜓 ≈ 𝐾𝛷𝐼 𝛺 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . 7-2. il faut asservir la position du flux statorique par rapport à la roue polaire (𝜓 ou 𝜃).MOTEUR SYNCHRONE AUTOPILOTE Fig.62 Schéma du montage du moteur synchrone autopiloté Le moteur est muni d’un capteur de position et de capteurs de courant qui permettent à des régulateurs électroniques de générer les ordres de commutation de l’onduleur qui alimente le stator sous la fréquence f. Selon le mode d’alimentation: On contrôle θ si l’alimentation est une source de tension. La machine ainsi asservie est dite autopilotée. L’ensemble obtenu s’appelle moteur synchrone autopiloté.Université Virtuelle de Tunis 𝐶= Machines électriques Les Machines Synchrones 3𝑉𝐼 3 𝐸𝑜 𝐼 3𝑉𝐸𝑜 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑐𝑜𝑠𝜓 = 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝛺 𝛺 𝛺𝑋𝑠 En plus de la variation de la fréquence. En revanche.63). Fig.Φ). on doit réaliser un asservissement ou un autopilotage de la machine synchrone. on peut réaliser un fonctionnement dans toute la zone 1 et parfois dans la zone 2 (Fig. à l'aide d'un variateur de fréquence. 65 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .63).3 DEFLUXAGE ET SURVITESSE La machine synchrone ne peut donc fonctionner qu'à vitesse constante.63 Caractéristique mécanique du moteur en fonctionnement : Normal (Zone1) .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Où le collecteur électromécanique a été remplacé par un collecteur électronique (puisque Eo/Ω = Kp. Pour pouvoir garder le contrôle du couple. Défluxé (Zone2) Zone1: Pour tous les couples C ≤ C max et vitesses Ω ≤ Ωn . la puissance mise en jeu est inférieure à Pmax définie par : Pmax = Cmax Ωn Le point de fonctionnement se situe alors dans la zone 1 (Fig. 7. pourvu que le rotor soit à pôles saillants. MACHINES SYNCHRONES PARTICULIÈRES 8. ce qui revient à diminuer le flux Φ (défluxage) quand la machine s’y prête. capables de supporter de grandes vitesses. on choisit alors un couple C C ≤ (Cmax = Pmax / Ωn) Avec ce couple on peut travailler à différentes vitesses qui vérifient la relation : C = Pmax / Ω Avec Ω ≥ Ωn Sachant que C = KΦI. Cela se fait : • soit pour de très petites machines où la réduction du coût de fabrication est essentielle. sans dépasser Cmax . Ces machines sont dites aussi moteurs à réluctances variables.63) Deux contraintes sont à vérifier : • La vitesse maximale admissible par le moteur • La profondeur du défluxage (généralement inférieure à 50%). 66 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . pour augmenter Ω (survitesse). • soit pour réaliser des rotors très robustes.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Zone2: Pour ne pas dépasser Pmax du moteur. 8. ni par enroulement DC). en maintenant I=In . Ce fonctionnement correspond à la zone 2 (Fig. il faut baisser C.1 MACHINE SYNCHRONE SANS EXCITATION On peut réaliser des machines synchrones sans excitation (ni par aimant. Les pertes par hystérésis aident alors au démarrage. 8. Fig. un des deux sens de rotation étant privilégié par l’artifice de la spire de Frager.64 Moteur synchrone monophasé 67 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Ces machines démarrent normalement en asynchrone grâce aux courants de Foucault.2 MOTEUR SYNCHRONE MONOPHASE Autre exemple de petit moteur synchrone monophasé : moteur à pôles saillants sans excitation qui démarre en asynchrone. mais il est fait d’un matériau magnétique dur (à grand hystérésis). (appelé aussi shaded pole motor). Exemple: horloges à moteur synchrone monophasé. Parfois. et le rotor garde ensuite une aimantation qui permet le fonctionnement en machine synchrone. avec démarrage manuel ou par un des procédés notés ci-dessus. le rotor n’a pas de saillances proprement dites. DIFFERENTS MODES D'EXCITATION 9.65).MODES D'EXCITATION ET REFROIDISSEMENT 9. Ωs • Puissance absorbée : Pa = Pu + ∑pertes • ∑pertes = pc + pj o pc : Pertes dites « constantes » : pertes mécaniques et pertes fer qui ne dépendent pas de la charge mais sont fonction de la vitesse. Le courant continu était transmis au rotor par deux bagues en bronze (Fig. Celle-ci est entraînées. directement ou par l'intermédiaire d'un réducteur ou multiplicateur de vitesse.1.1. Pour le fonctionnement moteur on a : • Puissance utile : Pu = Cu. par l'arbre du rotor.95 à 0.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 8.3 RENDEMENT Les machines synchrones présentent généralement d’excellent rendement (0.Excitation par machines à courant continu Pour une longue époque. le courant continu nécessaire a l'excitation de la roue polaire de l'alternateur était fourni par une génératrice à courant continu dite excitatrice. (elles sont constantes quand Ω = constante). 68 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .1. o pj : Pertes par effet Joule dans l’inducteur + Pertes par effet Joule dans l’induit.98). On applique la formule générale : 𝜂= 1 pc + pj 1+ 𝑃 𝑢 9. (c)excitation séparée et entrainement indépendant 69 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .65 Transmission du courant continu aux enroulements de la roue polaire par le système bagues. des considérations économiques conduisent à adopter un groupe d'excitation séparé. Fig. 66 Excitation par génératrices à courant continu : (a)Génératrice auto-excitée en bout d’arbre. ou de l'inducteur de l'excitatrice auxiliaire (Fig.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig.66c).balais Le réglage de l'intensité de ce courant étant obtenu par le réglage de l'inducteur de la génératrice auto-excitée (Fig.66a).66b). (b) Génératrice avec excitatrice auxiliaire en bout d’arbre. Dans le cas d'alternateurs hydrauliques à très basses vitesses. composé d'un moteur asynchrone et d'une génératrice à courant continu (Fig. 68).67). par ailleurs.1.Excitation par redresseurs statiques Le coût et l'entretien des machines à courant continu ont amené les constructeurs et utilisateurs de génératrices synchrones à les remplacer par des redresseurs statiques.3. l'amenée du courant continu dans l'enroulement inducteur implique la présence de bagues collectrices et de charbons. Fig. utilisée dans les alternateurs modernes. sources d'inconvénients et de pannes.Excitation à diodes tournantes (Brushless) Dans les solutions précédentes. La solution radicale. Toutes les fois où un dispositif d'excitation à redresseurs est utilisé. Pour assurer l'autonomie du groupe. En atmosphère explosive ou dans le cas de vitesses périphériques très élevées (turbo-alternateur de très grandes puissances). Une telle excitation est appelée aussi Brushless (sans balais).67 Excitation statique par alternateur auxiliaire en bout d’arbre 9. beaucoup plus performants. il convient de le munir d'une protection efficace contre les surtensions inverses.2. le dispositif d'excitation à redresseurs peut être alimenté par un alternateur auxiliaire calé sur l'arbre de l'alternateur principal (Fig.1. 70 Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones 9. la maintenance du dispositif collecteur peut constituer un problème majeur. consiste à supprimer les bagues en excitant le rotor à partir d'un alternateur "intermédiaire" à induit polyphasé tournant et inducteur fixe à travers d'un dispositif redresseur à diodes tournantes (Fig. en fonctionnement normal. 9-2 REFROIDISSEMENT DE L'ALTERNATEUR PAR L’HYDROGENE Les premiers alternateurs industriels étaient refroidis par l'air en circuit ouvert puis. L’alimentation en courant continu du stator de l'alternateur intermédiaire est assurée par un alternateur d'excitation muni d'un redresseur à diodes. 71 Enseignant : Mohamed ELLEUCH . le stator étant l'inducteur alors que le rotor est l'induit. alimente directement le rotor de l'alternateur principal.Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Fig. ce dernier (avec son redresseur). Cet alternateur dont la disposition est classique (induit fixe et inducteur tournant) à comme rotor un aimant permanent. un courant continu de 6 823 A sous la tension de 531 V. Actuellement. C'est au niveau de cet alternateur qu'interviennent les dispositifs de régulation. pour assurer l'excitation d'un alternateur de 1650 MVA. C'est ainsi que. dans une période plus récente. ils étaient refroidis par l'air.69). qui circulait en circuit fermé. ainsi. les alternateurs de puissance sont refroidis par de l'hydrogène circulant en circuit fermé (Fig.68 Organisation de l’excitation à diodes tourantes (Brushless) L'alternateur intermédiaire à une disposition inversée. par l'intermédiaire d'un pont redresseur à 78 diodes. fournit. l'alternateur intermédiaire est une machine â 22 pôles et 39 phases qui. Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Cette solution présente les avantages suivants: Les pertes par ventilation sont proportionnelles à la masse volumique du fluide employé pour la réfrigération. Comme la masse volumique de l'hydrogène est 14 fois moins élevée que celle de l'air, les pertes par ventilation seront 14 fois plus faibles. La conductibilité thermique de l'hydrogène étant 7 fois plus élevée que celle de l'air, les échanges de chaleur se font plus facilement avec l'hydrogène. Les parties chaudes de l'alternateur cèdent plus rapidement leur chaleur à l'hydrogène qu'à l'air; de même, l'hydrogène transmet plus vite sa chaleur aux tubes du réfrigérant. Les échanges de chaleur se font d'autant plus facilement que la pression de l'hydrogène est plus élevée. L'utilisation de l'hydrogène nécessite d'importantes précautions car l'hydrogène forme avec l'air un mélange explosif. Le mélange le plus dangereux est celui composé de 35% Hydrogène et 65% air. Le risque de créer dans l'alternateur un mélange détonant est éliminé par le fait que l'hydrogène y est maintenu à un degré de pureté supérieure à 98% pendant le fonctionnement normal. D'autre part, avant de remplir l'alternateur d'hydrogène, l'air est déplacé par un gaz inerte comme le CO2. En outre, pour protéger le personnel de la centrale contre toute déflagration éventuelle, l'enveloppe de l'alternateur est calculée pour résister sous fatigue exagérée à la pression que l'hydrogène serait susceptible de produire. L’hydrogène situé dans l'enceinte externe de l'alternateur est aspiré par les ventilateurs d'extrémité et refoulé sous les capots (Fig.69a). Le flux de l'hydrogène se divise en plusieurs parties: Une première portion assure le refroidissement des têtes de bobine. Une deuxième partie pénètre dans l'entrefer rotor-stator pour sortir par des canaux radiaux pratiqués dans l'empilage magnétique du stator. Une troisième partie, intéressant la partie centrale, pénètre par ces canaux radiaux d'une façon centripète (vers l'axe) pour ressortir par d'autres canaux d'une façon centrifuge (vers la périphérie). 72 Enseignant : Mohamed ELLEUCH Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Enfin une dernière partie parcourt les encoches, au sein des conducteurs, dans des tubes prévus à cet effet (Fig.69b). Fig.69 Refroidissement de l’alternateur par de l’hydrogène (a) circuit ferromagnétique (b) conducteurs Remarque : Certains constructeurs utilisent une solution hybride pour le refroidissement (hydrogène plus eau) et surtout pour les grandes paissances comme l’indique le tableau 1 suivant : 73 Enseignant : Mohamed ELLEUCH Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones Tableau 1. Les gammes de puissance annoncées par les constructeurs ainsi que le (ou les) fluide(s) de refroidissement des structures de la machine 74 Enseignant : Mohamed ELLEUCH 75 ORGANISATION DE LA CENTRALE THERMIQUE DE SOUSSE Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Université Virtuelle de Tunis Machines électriques Les Machines Synchrones ANNEXE : LA CENTRALE THERMIQUE DE SOUSSE 1. 76 Machines électriques Les Machines Synchrones SCHEMA DE PRINCIPE DU SYSTEME D’EXCITATION Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Université Virtuelle de Tunis 2. 77 Machines électriques Les Machines Synchrones SPECIFICATIONS ET GRANDEURS ELECTRIQUES Enseignant : Mohamed ELLEUCH .Université Virtuelle de Tunis 3.