L alternateur synchrone

Transcription

1 L alternateur synchrone Électricité 2 Électrotechnique Christophe Palermo IUT de Montpellier Département Mesures Physiques & Institut d Electronique du Sud Université Montpellier 2 Web : cpalermo@um2.fr Année Universitaire MONTPELLIER

2 Plan 1 Présentation Applications Définition et intérêts Principe de fonctionnement 2 Technologie de l alternateur synchrone Les circuits électriques Paires de pôles Symboles électriques 3 Fonctionnement de l alternateur synchrone Schémas électriques équivalents Grandeurs d une phase Caractéristique en charge Diagramme de Behn-Eschenburg Bilan des puissances dans l alternateur synchrone IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

3 Plan Présentation 1 Présentation Applications Définition et intérêts Principe de fonctionnement 2 Technologie de l alternateur synchrone Les circuits électriques Paires de pôles Symboles électriques 3 Fonctionnement de l alternateur synchrone Schémas électriques équivalents Grandeurs d une phase Caractéristique en charge Diagramme de Behn-Eschenburg Bilan des puissances dans l alternateur synchrone IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

4 10 Exemple d utilisation d d un d alternateur Barrage hydroélectrique Présentation Applications Centrale hydroélectrique «au fil de l eau» Énergie de l eau. Renouvelable. IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

5 Centrale nucléaire Présentation Applications On fait bouillir de l eau. Aussi possible avec du pétrole, du charbon, etc. Non-renouvelable. IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

6 Présentation Applications Turbines et alternateurs Dans tous les cas, on utilise des turbines des arbres de transmission des alternateurs en 2009, par rapport à TWh = 519 milliards de kwh IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

7 Présentation Définition et intérêts Définition de l alternateur Un alternateur synchrone C est une machine électrique tournante fonctionnant en mode génératrice et produisant de l énergie électrique alternative Énergie mécanique = énergie électrique alternative Alternateur triphasé : produit 3 phases (+ un neutre si besoin) Alternateur monophasé : produit 1 phase + 1 neutre Machine réversible : moteur synchrone alternateur synchrone IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

8 Présentation Définition et intérêts Définition de l alternateur Un alternateur synchrone C est une machine électrique tournante fonctionnant en mode génératrice et produisant de l énergie électrique alternative Énergie mécanique = énergie électrique alternative Alternateur triphasé : produit 3 phases (+ un neutre si besoin) Alternateur monophasé : produit 1 phase + 1 neutre Machine réversible : moteur synchrone alternateur synchrone IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

9 Présentation Définition et intérêts Intérêts Production de fortes puissances et de faibles puissances Utilisation d un principe simple Rendements très élevés (proches de 100 % en fortes puissances) Electricité naturellement alternative (idéal pour transformateurs) Alternateur triphasé À la base de presque toute la production mondiale d électricité Barrages, centrales nucléaires, centrales thermiques à flammes, etc. Mais aussi : dans les voitures, les avions, les groupes électrogènes, les petites éoliennes, etc. IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

10 Présentation Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement Champ magnétique tournant à 50 tr/s φ variable = dφ/dt 0 Bobine : siège d une f.é.m induite de 50 Hz 1 tour = 360 = 2π radians IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

11 Présentation Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement Champ magnétique tournant à 50 tr/s φ variable = dφ/dt 0 Bobine : siège d une f.é.m induite de 50 Hz 1 tour = 360 = 2π radians Trois bobines décalées de 120 = 2π/3 radians Chaque bobine est le siège d une f.é.m induite De fréquence 50 Hz Décalés d 1/3 de période soit 120 = 2π/3 e = BSNω ( Bω) Système triphasé équilibré IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

12 Plan Technologie 1 Présentation Applications Définition et intérêts Principe de fonctionnement 2 Technologie de l alternateur synchrone Les circuits électriques Paires de pôles Symboles électriques 3 Fonctionnement de l alternateur synchrone Schémas électriques équivalents Grandeurs d une phase Caractéristique en charge Diagramme de Behn-Eschenburg Bilan des puissances dans l alternateur synchrone IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

13 Technologie Schéma de construction simplifié Les circuits électriques B Au minimum : 2 bobines / phase = 1 paire de pôles / phase Rotor = (électro)-aimant tournant Stator = bobines induites IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

14 Le rotor = l inducteur Technologie Les circuits électriques Rôle mécanique du rotor : absorber la puissance mécanique Rôle électro-magnétique du rotor : l inducteur Crée un champ magnétique continu Constitue la commande (circuit de réglage de la tension produite) Faible puissance : aimants permanents (brushless) inconvénient : pas de réglage possible de la tension produite Fortes puissances : électro-aimant Courant continu d excitation i : réglage possible Inconvénient : apport par des bagues et des balais (ou par une génératrice) Vocabulaire : Rotor = roue polaire Courant inducteur = courant d excitation IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

15 Le rotor = l inducteur Technologie Les circuits électriques Rôle mécanique du rotor : absorber la puissance mécanique Rôle électro-magnétique du rotor : l inducteur Crée un champ magnétique continu Constitue la commande (circuit de réglage de la tension produite) Faible puissance : aimants permanents (brushless) inconvénient : pas de réglage possible de la tension produite Fortes puissances : électro-aimant Courant continu d excitation i : réglage possible Inconvénient : apport par des bagues et des balais (ou par une génératrice) Vocabulaire : Rotor = roue polaire Courant inducteur = courant d excitation IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

16 Le stator = l induit Technologie Les circuits électriques Rôle mécanique du stator : stabiliser la structure Rôle électro-magnétique : le stator est l induit Siège des forces électromotrices induites Délivre la puissance électrique : circuit de sortie Le stator = l inducteur Constitué de : Le stator Cylindre (élément ferromagnétique statique) entaillé = l inducteur d encoches (qui crée le champ) = meilleure induction Relié au Empilement réseau de tôles pour limiter les courants de Foucault = moins de pertes Constitué de :! Technologie Cylindre ferromagnétique : entaillé d encoches 2 bobinages par phase au moins : 1 paire de! Empilement pôles / phase de tôles pour limiter les courants Amélioration de Foucault : plusieurs paires de pôles par phase IUT Bobinages de Montpellier (Mesures : Physiques) L alternateur synchrone / 27

17 Paires de pôles Technologie Paires de pôles n s dépend de l environnement : Centrales thermiques (nucléaire, flammes), à vapeur d eau : 1500 à 3000 tr/min Centrales hydroélectriques, fil de l eau : 100aine de tr/min f est imposée par le réseau EDF : 50 Hz, USA : 60 Hz p permet de s adapter f = p n s f : fréquence des f.é.m et des courants induits (Hz) p : nombre de paires de pôles (1) n s : vitesse de rotation du rotor (de synchronisme) (tr/s) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

18 Symboles électriques Technologie Symboles électriques GS 3~ Stator GS ~ 3~ Rotor GS dans le stator-induit = Génératrice Synchrone 3 dans le stator-induit = système triphasé dans le rotor-inducteur = courant continu IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

19 Plan Fonctionnement 1 Présentation Applications Définition et intérêts Principe de fonctionnement 2 Technologie de l alternateur synchrone Les circuits électriques Paires de pôles Symboles électriques 3 Fonctionnement de l alternateur synchrone Schémas électriques équivalents Grandeurs d une phase Caractéristique en charge Diagramme de Behn-Eschenburg Bilan des puissances dans l alternateur synchrone IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

20 Fonctionnement Schémas électriques équivalents Schéma électrique équivalent Chaque phase : générateur réel Schéma électrique d une phase de l alternateur : rs Xs r s : résistance de l enroulement en Ω X s = L s ω : réactance synchrone effet secondaire de l induction en Ω Dans chaque phase : courant J tension V IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

21 Fonctionnement Schémas électriques équivalents Schéma électrique équivalent Chaque phase : générateur réel Schéma électrique d une phase de l alternateur : rs Xs r s : résistance de l enroulement en Ω X s = L s ω : réactance synchrone effet secondaire de l induction en Ω Dans chaque phase : courant J tension V Mailles : E = (r s + jx s )J + V Dans la pratique : r s << X s Dans une phase de l alternateur E = jx s J + V IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

22 Fonctionnement Schémas électriques équivalents Branchements en production Alternateurs équilibrés Possibles en étoile (Y) ou en triangle ( ) En étoile : I = J U = 3V 230 V 10 A 400 V 17 A 230 V En triangle : I = 3J U = V Le plus souvent en étoile : Tensions plus élevées pour une même machine (production de V ) Courants plus faibles pour une même puissance (production de J) Création du neutre IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

23 Fonctionnement Grandeurs d une phase Force électromotrice Mesurons la force électromotrice E d une phase! Comment faire? 1 Un voltmètre mesure des valeurs efficaces en alternatif IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

24 Fonctionnement Grandeurs d une phase Force électromotrice Mesurons la force électromotrice E d une phase! Comment faire? E = jx s J + V Je veux annuler J J enlève la charge (électrique) de l alternateur J obtiens alors E = V (en valeurs efficaces) Avec un voltmètre 1 : je mesure E à l induit Toujours vrai, à retenir Pour mesurer la f.é.m d un générateur, je le fais fonctionner à vide et je mesure la tension disponible entre ses bornes. 1 Un voltmètre mesure des valeurs efficaces en alternatif IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

25 Fonctionnement Grandeurs d une phase Caractéristique interne Caractéristique interne : E(i) Mesurée : à n s = cste à J = 0 On remarque : Une zone linéaire (fonctionnement) Une zone de saturation E 0 quand i = 0 (champ rémanent) Du point de vue de l utilisateur non-spécialiste Le courant inducteur permet de régler la tension (d induit) produite IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

26 Fonctionnement Grandeurs d une phase La réactance synchrone Mesurons la réactance synchrone X s d une phase! Comment faire? 2 Un ampèremètre mesure des valeurs efficaces en alternatif IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

27 Fonctionnement Grandeurs d une phase La réactance synchrone Mesurons la réactance synchrone X s d une phase! Comment faire? E = jx s J + V Annuler V : placer l induit en court-circuit (J = J cc ) En valeurs efficaces : X s (i) = E(i) J cc Avec i : je contrôle la f.é.m E je contrôle le courant de sortie (à l induit) J cc = J cc (i) Mesures : J ai déjà mesuré E Avec un ampèremètre 2 : je mesure J cc dans l induit Attention : plusieurs valeurs de E disponibles = Je choisis la zone linéaire (loin de la saturation) 2 Un ampèremètre mesure des valeurs efficaces en alternatif IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

28 Mesure en court-circuit Fonctionnement Grandeurs d une phase I cc = J cc Caractéristique en court-circuit : J cc (i) A Mesurée : à n s = cste à V = 0 Linéaire : coefficient de proportionnalité J Unique moyen pour mesurer X s Courant de court-circuit : Paramètre important d un générateur Générateur meilleur quand J cc est grand IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

29 Caractéristique externe Fonctionnement Caractéristique en charge Caractéristique externe = caractéristique en charge = U(I) Mesurée : à n s = cste à i = cste à cos ϕ = cste Courbes : C 1 : résistances C 2 : inductances C 3 : capacités On remarque : Influence de la charge Inductances : plus de pertes ϕ est toujours mesuré du courant vers la tension J IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

30 Fonctionnement Caractéristique en charge Remarque sur la caractéristique en charge Allure valable quel que soit le générateur alternatif alternateur, transfo, GBF, etc. Responsable des problèmes de sous-tension Circuit type : inductif à cause des câbles Déphasage ϕ : imposé par la charge IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

31 Fonctionnement Diagramme de Behn-Eschenburg Diagramme de Behn-Eschenburg ϕ est imposé par la charge Diagramme de Fresnel E = jx s J + V (b) (a) ϕ ψ E J ϕ ψ E V Xs J Alternateur sur-excité (E > V ) Installation inductive ou résistive J V Xs J Alternateur sous-excité (E < V ) Installation capacitive : RARE IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

32 Fonctionnement Bilan des puissances converties Bilan des puissances dans l alternateur synchrone Puissance mécanique absorbée Pa Pertes mécaniques rotationnelles Prot Pertes fer Pf Puissance électromagnétique Pem Pertes Joule au stator PJS Puissance électrique utile Pu Penser à rajouter P JR = ui pour l excitation du rotor a a hors schéma car ne provenant pas de la conversion de puissance mécanique IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27

33 En résumé Fonctionnement Bilan des puissances dans l alternateur synchrone Dispositif de conversion mécano-électrique Puissance absorbée : mécanique Puissance utile : électrique Réversibilité : oui, moteur synchrone 2 circuits : inducteur (rotor) et induit (stator) Induit : production de la puissance électrique inducteur : circuit de réglage de la tension produite Réactance synchrone : caractéristique de l alternateur (qualité/pertes) 2 mesures pour une excitation donnée i : à vide et en CC En charge : Chute de tension quand le courant augmente Chute d autant plus importante que le circuit est inductif Capacités : préviennent la chute de tension IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L alternateur synchrone / 27