MACHINE SYNCHRONE CHAPITRE II

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1 MACHINE SYNCHRONE CHAPITRE II DOCUMENT COMPOSÉ À PARTIR DU COURS DU PR.VIAROUGE GEL-3001 Automne

2 I. COMPOSITION DES MACHINES SYNCHRONES GEL-3001 Automne

3 Composition générale des machines synchrones GEL-3001 Automne

4 II. STATOR GEL-3001 Automne

5 Culasse du stator La culasse du stator est un empilement de tôles laminées de faible épaisseur conçues avec un matériau magnétique. Elle sont espacées les unes des autres par un isolant. Elles forment des encoches du coté de l entrefer. C est une des parties du circuit magnétique. Rôles du matériau magnétique: - Canaliser les lignes du champ magnétique - La forme (encoche) permet de faciliter la magnétisation de la machine. Pertes associées a la carcasse : - Pertes magnétiques - Pertes par courant de Foucault GEL-3001 Automne

6 Bobinages au stator Les conducteurs en cuivre au stator sont placés dans les encoches et maintenus à l aide de cales magnétiques. Ils possèdent un nombre de spire k s (dépend de la configuration de bobinage au stator) et sont parcourus par des courants alternatifs. Ce sont les phases de la machine aussi appelés «induit». Pertes associées aux conducteurs: - Pertes par effet Joule -> P js = R s I2 seff Paramètres magnétiques associés au bobinage: -I s -> F s, Ф s GEL-3001 Automne

7 III. ROTOR GEL-3001 Automne

8 Culasse du rotor Aussi composé de matériau magnétique. C est une des parties du circuit magnétique. Selon l application, deux structures de rotor: - Rotor à pôles lisses (a) - Rotor à pôles saillants (b) Rôle du matériau magnétique: Canaliser les lignes du champ magnétique Pertes associées à la carcasse du rotor (uniquement durant les régimes transitoires): - Pertes magnétiques - Pertes par courants de Foucault (a) (b) * * Rapport de maitrise Stéphanie Rakotovololona GEL-3001 Automne

9 Machine à rotor bobiné: bobinage au rotor Le conducteur en cuivre au stator est placé dans des encoches (rotor à pôles lisses) ou enroulé autour de pièces polaires (rotor à pôles saillants). Il possède un nombre de spire n r et est parcouru par un courant continu I r. C est «l inducteur» de la machine. * Pertes associées aux conducteurs: - Pertes par effet Joule -> P jr = R r I r 2 Paramètres magnétiques associés aux bobinage: - F r, Ф r -> I r * GEL-3001 Automne

10 Cage d amortissement au rotor Deux types de conducteur composent la cage: - Barreaux (généralement cuivre ou en aluminium) placés à l extrémité du rotor et qui traversent en soubant l axe de rotation du rotor. - Anneaux (généralement cuivre ou en aluminium) qui court-circuitent les barreaux à chaque extrémité. Rôles de la cage: - Démarrage de la machine - Préserver l intégrité de l inducteur - Stabiliser la machine durant les transitoires Pertes associées aux barreaux (uniquement durant les régimes transitoires): - Pertes par courants de Foucault GEL-3001 Automne

11 IV. Circuit magnétique d une machine à pôles lisses et à pôles saillants GEL-3001 Automne

12 Différence entre circuit magnétique d une machine à Fr Fs pôles lisses et à pôles saillants Fr N Enroulement Inducteur Axe q Fr Fs Machine à pôles lisses en charge SAxe d Machine à pôles saillants à vide Machine à pôles saillants en charge En charge, la FMM présente dans la machine correspond à la somme vectorielle des FMM créées au stator et au rotor. Il existe un déphasage spatial entre la FMM résultante et Fr (toujours sur l axe magnétique des pôles). Pour une machine à pôles lisses, peu importe le déphasage, la réluctance du circuit magnétique est toujours la même. GEL-3001 Automne

13 Circuit magnétique d une machine à pôles lisses Ф r Réluctance entrefer (R 0 = L 0 /μ 0 S) Source FMM Réluctance matériau magnétique (R m = L m /μ m S) Cette image représente le chemin magnétique parcouru par les lignes du champs d induction Réluctance équivalente du circuit: R eq = R 0 +R m = L 0 /μ 0 S + L m /μ m S Comme F = n r I r = R eq Φ r Φ r = n r I r /R eq La longueur d d entrefer et de matériau magnétique parcourue par le flux est indépendant de la position du flux dans la machine par rapport à l axe des pôles. Comme ces 2 grandeurs restent constantes, la réluctance aussi. GEL-3001 Automne

14 Réluctance dans une machine à pôles saillants Ф r Réluctance entrefer (R 0 = L 0 /μ 0 S) Source FMM Réluctance matériau magnétique (R m = L m /μ m S) Cette image représente le chemin magnétique parcouru par les lignes du champs d induction Expression de la force magnétomotrice: F r =N r I r = R eq Ф r Expression de la réluctance équivalente du circuit: R eq = R 0 +R m = L 0 /μ 0 S + L m /μ m S Comme L 0 et L m traversée par le flux Φ r dépend du déphasage de la FMM résultante par rapport à l axe du pôle: I R eq ( F; F r ) Φ r F; F r = N r r E F; F R eq F;F r = Φ r F; F r ω s r L angle ( F; F r ) dépend des conditions de charge et de l intensité du champs d excitation (I r ). GEL-3001 Automne

15 V. Principe d un champ magnétique tournant à amplitude fixe dans une armature polyphasée GEL-3001 Automne

16 Force électromotrice Les conducteurs sont sensibles aux variations d un champ magnétique dans lequel ils sont plongés. La conséquence est l apparition d une force électromotrice (FEM) aux bornes de chaque conducteurs -> Loi de Lenz e = dф r Τdt (convention générateur pour la machine) Cette FEM e dépend : - De l intensité du flux d induction magnétique (Ф r )qui a pour origine le champ magnétique d excitation (aimant ou électroaimant) - De l intensité des variations (d/dt) du flux qui a pour origine la vitesse de déplacement du champ magnétique d excitation Lorsqu un flux d excitation tournant à ω s est placé au milieu d une armature composée de m conducteurs déphasés spatialement de 2π m, les FEM générée aux bornes de ces conducteurs sont déphasés temporellement de 2π m. La valeur efficace E de cette FEM correspond à : E = Ф r ω s Ф r = n s k e k g Ф prmax n s : nombre de spires par phase k e : facteur de forme du flux à vide k g : facteur de bobinage Ф prmax : valeur maximal du flux sur un pas polaire GEL-3001 Automne

17 Ex: armature triphasée a e a (t) e b (t) e c (t) F r 2 3 r s s c b d ra ea ( t) dt d rb eb ( t) dt d rc ec ( t) dt r r r s s s 2 sin( t) E s 2 sin( t) sin( st ) E 2 sin( st ) sin( st ) E 2 sin( st ) 3 3 s GEL-3001 Automne

18 Répartition spatiale de l induction dans l entrefer Machine à pôles lisses Répartition sinusoïdale induction dans entrefer Bobinage inducteur réparti L un des objectifs des designers est de concevoir les machines à courants alternatifs de manière à générer une FEM à vide la plus sinusoïdale possible. GEL-3001 Automne

19 Répartition spatiale de l induction dans l entrefer Machine à pôles saillant Répartition sinusoïdale induction dans entrefer Entrefer variable sous un pôle Epanouissement polaire Amélioration de la forme sinusoïdale de la tension à vide GEL-3001 Automne

20 Vitesse mécanique, pulsation et nombre de pôles Dans une machine, les paramètres mécaniques (vitesse N (tours/min), pulsation mécanique Ω (rad/s) et angle β m ( )) sont liés aux paramètres électriques (pulsation électrique ω (rad/s), fréquence f (Hz) et angle β e ( )) par l intermédiaire d une constante structurelle représentant le nombre de paires de pôles p. Relation entre les paramètres mécaniques: Relation entre les paramètres électriques: N = Ω 60/2π ω = 2πf Relations entre les paramètres mécaniques et électriques: ω = p Ω N = f 60/p β e = p β m GEL-3001 Automne

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