FORMATION CONTINUE TECHNICIENS SUPERIEURS INGENIEURS ELECTROTECHNICIENS LA MACHINE SYNCHRONE. Cours préparé par Bapio BAYALA

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1 FORMATION CONTINUE TECHNICIENS SUPERIEURS INGENIEURS ELECTROTECHNICIENS LA MACHINE SYNCHRONE Cours préparé par Bapio BAYALA

2 SOMMAIRE I/ PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT A/ PHENOMENES D INDUCTION B/ APPLICATION A L ALTERNATEUR II/ DESCRIPTION DES PARTIES ESSENTIELLES D UN ALTERNATEUR A/ LE STATOR B/ LE ROTOR III/ CHUTE DE TENSION A/ REACTION D INDUIT B/ METHODE DE BEHN-ESCHENBURG C/ METHODE DE POTIER D/ METHODE DE BLONDEL IV/ ETUDE GENERALE D UN ALTERNATEUR A/ FONCTIONNEMENT A VIDE B/ FONCTIONNEMENT EN CHARGE C/ RENDEMENT DE L ALTERNATEUR D/ ALTERNATEUR TRIPHASE E/ EXCITATION DES ALTERNATEURS V/ FONCTIONNEMENT D UN ALTERNATEUR A/ L ALTERNATEUR ALIMENTE SEUL UN RESEAU B/ L ALTERNATEUR ALIMENTE UN RESEAU EN PARALLELE AVEC D AUTRES ALTERNATEURS 1 Conditions de couplage 2 Répartition des charges C/ LIMITES DE FONCTIONNEMENT D/ FONCTIONNEMENT EN MOTEUR SYNCHRONE 2/53

3 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT A / PHENOMENES D INDUCTION Action mutuelle de deux aimants N S S N N S N S F F F F Les pôles de même nom se repoussent Les pôles de noms contraires s attirent CHAMP MAGNETIQUE La région de l espace, dans laquelle se manifeste l action d une aimant est appelée CHAMP MAGNETIQUE - Le champ magnétique peut être matérialisé par des LIGNES DE FORCE qui indiquent en tout point la direction de son effet. - le sens des lignes de force a été conventionnellement choisi, du pôle nord vers le pôle sud à l extérieur de l aimant. S 3/53

4 2) INDUCTION MAGNETIQUE + - Nord magnétique terrestre S N P P Sud magnétique terrestre Au point P la force d attraction agissant sur l aiguille aimantée est plus importante qu au point P. Nous dirons que l INDUCTION MAGNETIQUE est plus importante en P qu en P L induction magnétique B est une grandeur définissant la valeur du champ magnétique en un point donné. Elle s exprime en TESLA (T). C est au centre de la bobine que cette induction est la plus importante. De quoi dépend l induction magnétique à l intérieur d une bobine? 4/53

5 N 3) Induction électromagnétique S Pendant le déplacement de l aimant, un courant prend naissance dans la bobine ma Ce courant est appelé : COURANT INDUIT LE MEME RESULTAT PEUT ETRE OBTENU + - ma En remplaçant l aimant par un électroaimant. A B + - A R ma En faisant varier le courant absorbé par la bobine A. A B CONCLUSION Pour qu un courant induit prenne naissance dans une bobine, il faut qu elle soit soumise à une VARIATION DE FLUX (ΔΦ) La bobine qui produit le flux est appelée : INDUCTEUR La bobine dans laquelle prend naissance le courant induit est appelée : INDUIT 5/53

6 QUEL EST LE ROLE D UN ALTERNATEUR? Produire un courant électrique. QUELLES SONT LES PARTIES PRINCIPALES D UN ALTERNATEUR? L induit (stator), l inducteur (rotor). DANS QUELLE PARTIE PREND NAISSANCE LE COURANT? Dans l induit. QUELS SONT LES ELEMENTS PRINCIPAUX QUI CONSTITUENT UN INDUIT? Le bobinage, les tôles magnétiques. COMMENT OBTENIR UN COURANT DANS UNE BOBINE? aimant S N milliampèremètre bobine m A calibre 10 ma En produisant une variation de champ magnétique à l intérieur de la bobine. S S N N N S S S /53

7 B/ APPLICATION A L ALTERNATEUR On nomme alternateurs, les générateurs de courant alternatif. La plupart sont des machines très puissantes en service dans les centrales thermiques ou hydrauliques. Les f.é.m. alternatives sont produites par induction, c est-à-dire par déplacement relatif d un circuit induit par rapport à un circuit inducteur. Un courant continu passe dans les bobines de l inducteur et aimante les pôles. Les lignes d induction sortent par chaque pôle nord, traversent l entrefer entre les pièces polaires et le stator, puis bifurquent à gauche et à droite pour passer dans les deux pôles sud voisins après avoir traversé une seconde fois l entrefer. Actuellement, pour les alternateurs de grande puissance, l induit est fixe et l inducteur mobile. Deux formes sont adoptées : les alternateurs à pôles inducteurs saillants, dont la vitesse est relativement lente, sont entraînés par des turbines hydrauliques, des moteurs à gaz ou diesel ; les turbo-alternateurs à inducteurs lisses, sont accouplés à des turbines à vapeur ou hydrauliques tournant à grande vitesse. Nb :Certains alternateurs de petite puissance ont un inducteur fixe et un induit mobile, notamment ceux utilisés en bout d arbre comme excitatrice. 7/53

8 DESCRIPTION DES PARTIES ESSENTIELLES D UN ALTERNATEUR Un alternateur est composé des ensembles suivants : - le stator :il est composé de la carcasse, du circuit magnétique et des bobinages - le rotor : il est composé d un circuit magnétique, de masses polaires et du bobinage polaire A/ LE STATOR Le stator comprend un circuit magnétique constitué par un empilage de tôles en forme de couronne, isolées les unes des autres pour limiter les courants de Foucault. L ensemble des couronnes avec leur isolation est fortement serré, il constitue le circuit magnétique du stator.dans sa partie intérieure, le circuit magnétique comporte des encoches uniformément réparties dans lesquelles vient se loger l enroulement triphasé du stator. Le circuit magnétique du stator est en fer afin d augmenter le champ magnétique engendré par le rotor, il supporte le bobinage du stator. Le bobinage d un stator triphasé comprend trois bobines décalées l une par rapport à l autre de 120. Les deux extrémités de l enroulement aboutissent chacune à une borne à la plaque de bornes de la machine. Elles constituent l entrée et la sortie de l enroulement. Elles ne sont pas connectées ensemble : l enroulement est ouvert. C est à l utilisateur de réaliser le couplage. Parce que l induit est fixe, on peut isoler fortement ses conducteurs ; aussi, construit-on des alternateurs qui produisent des f.é.m. atteignant jusqu à volts. Circuit magnétique Carcasse ou bâti Bobinage Stator d alternateur :Observez à l intérieur du bâti en acier coulé l anneau formé de tôles empilées, avec des intervalles de ventilation et, dans les encoches à l intérieur de cet anneau, l enroulement induit. 8/53

9 B/ LE ROTOR Le rotor qui tourne à l intérieur du stator immobile. Le rotor porte, dans les encoches disposées à sa périphérie, un enroulement parcouru par un courant continu. Le courant continu provient du système d excitation Le rotor excité, en tournant, produit un champ tournant avec lui. Ce champ tournant engendre des forces électromotrices dans chacune des phases de l enroulement du stator. Les pôles sont alternativement nord et sud ; leur nombre total 2 p est toujours paire. Certains rotors n ont que 4 pôles, il en est qui en possèdent plusieurs dizaines. Si les différentes phases du stator sont fermées sur un circuit extérieur, elles sont parcourues par des courants alternatifs. L ensemble de ces courants produit un champ tournant dans le même sens et à la même vitesse que le rotor. Le champ du rotor est proportionnel au courant d excitation ; le champ du stator est proportionnel au courant I dans les phases de l enroulement du stator. Rotor d'alternateur de centrale hydraulique 9/53

10 ETUDE GENERALE D UN ALTERNATEUR A/ FONCTIONNEMENT A VIDE Pour simplifier le raisonnement supposons que le stator de l alternateur monophasé ne comporte qu un seul bobinage. Faisons maintenant passer un courant continu dans le rotor et faisons-le tourner à une vitesse N. Nous savons que le champ produit par un aimant qui se déplace devant un fil conducteur engendre dans ce fil, une force électromotrice : a) dont la valeur est proportionnelle au champ et à la vitesse de rotation de l aimant, b) dont le sens est donné par la règle du tire-bouchon. En pratique, le bobinage a plusieurs spires, afin d augmenter la force électromotrice engendrée. La force électromotrice totale produite est alors égale à la somme des forces électromotrices développées dans chacune des spires de la bobine. 1) Expression de la f.e.m. Formule générale : E=2,22 k f k b f N Φ K f : coefficient de forme (le champ n est pas sinusoïdal K f peut être >1) K b : coefficient de bobinage (K b <1) f : fréquence en hertz (Hz) P : nombre de paires de pôles du rotor n : vitesse en tours seconde N : nombre de conducteurs Φ : flux sous un pôle (weber) K = 2,22k f k b : coefficient de Kapp de la machine synchrone (1,6 à 2,9) E = KNfΦ = KNpnΦ 10/53

11 2 ) Caractéristique à vide L alternateur fonctionnant à vide (sans charge),on fait varier le courant d excitation et on relève la f.e.m. correspondante. R hex I ex U ex G V E v A 1~ Ev Zone non saturée Zone saturée N = 1500t/mn I = 0 A Er Iex Er : F.e.m. rémanente ;elle sert à l amorçage de l alternateur ( voir excitation) La caractéristique est considérée comme une droite dans la partie non saturée ;autrement dit la f.e.m. y est proportionnelle au courant d excitation : E v = E r + k I ex L alternateur fonctionne normalement dans la zone saturée. B/ FONCTIONNEMENT EN CHARGE 1) CHUTE DE TENSION a) Causes des chutes de tension La résistance de l induit qui produit une chute de tension RI ; La réaction magnétique de l induit qui modifie le flux utile et par conséquent la f.e.m. Elle dépend du courant débité I et de son déphasage φ ; Les fuites magnétiques qui engendrent une chute de tension inductive supplémentaire proportionnelle à I. b) Détermination de la chute de tension Elle se fait à N et Iex constants La mesure directe : Elle n est valable qu avec de petits alternateurs. ΔU = Ev - U Ev = f.e.m. à vide ; U = tension en charge 11/53

12 La mesure indirecte : Elle est valable quelle que soit la puissance de l alternateur. A partir d essais à faible puissance, on détermine la chute de tension à n importe quelle charge à l aide d un diagramme. Il existe trois principales méthodes : - Methode de Behn-Eschenburg - Methode de Potier - Methode de Blondel Ces méthodes diffèrent les unes des autres par la façon dont elles tiennent compte de la réaction d induit et des fuites magnétiques. Diagramme de Behn - Eschenburg Hypothèse fondamentale : le circuit magnétique n est pas saturé autrement dit la f.e.m. est proportionnelle au courant d excitation. Elle donne une chute de tension trop grande mais plus facile à déterminer. Détermination de la réactance synchrone LW Essai à vide : on relève la caractéristique à vide Ev (Iex) Essai en court-circuit : on relève Icc (Iex) pour la vitesse sensiblement égale à la vitesse nominale. La caractéristique en court-circuit est sensiblement droite passant par l origine ;elle est indépendante de la vitesse Pour déterminer LW il suffit de tracer sur le même graphe les deux caractéristiques Ev (Iex) et Icc (Iex). 2) Détermination de la réactance synchrone de Behn- ESCHENBURG On réalise un essai à vide et un essai en court circuit ( Icc faible) Essai à vide Essai en court-circuit Ie G Ie G Icc 3 ~ 3 ~ /53

13 Le schéma équivalent en court - circuit devient : R X Icc RIcc LwIcc E R = résistance d une phase X = Lw = réactance synchrone Z = R + jlw Pour le même courant d excitation on relève E1 et Icc1 ;l impédance est donc : Z = R² + ( LwI)² =AC/AB= E 1 / I cc1 Si R négligée alors Z = Lw Valeur relative de X=Lw Impédance de base par phase: Z n =V²/S n La réactance synchrone peut s'exprimer en % de l'impédance de base ou en valeur relative (p,u) X (p,u) = X / Z n Lw I cc Ev E I cc E 1 C N = 1500t/mn I = 0 A Icc1 E r B Lw 0 A I ex Remarque :LW est constant dans la zone non saturée et décroît dans la zone saturée 13/53

14 3) Schéma équivalent d une phase de l alternateur R X R = résistance d une phase I RI LwI V X = Lw = réactance synchrone E Z ( ) Z ( ) = impédance de la charge E = RI + LwI +V ou E = V + RI + LwI E=V(cosφ+jsinφ)+RI +jlwi= (Vcosφ+RI)+ j(vsinφ+lwi) Diagramme des tensions (Exemple :variation de la tension en fonction de Cos φ) V Arc de cercle de rayon E LwI E RI I (A) Conclusion :La chute de tension est d autant plus importante que le circuit est inductif ;lorsque le circuit est capacitif il peut y avoir une surtension. 14/53

15 4) Caractéristiques en charge R hex + I ex A I G U ex 1~ Z(φ) V - A E v Lorsque l alternateur fonctionne,il y a une chute de tension interne due à la résistance et à la réactance synchrone; cette chute de tension est d autant plus importante que le circuit est inductif ;il peut y avoir une surtension au bornes des récepteurs lorsque le circuit est trop capacitif ( en cas de surcompensation par exemple). Les courbes ci-dessous ont été tracées pour la même vitesse de rotation et pour un courant d excitation constant afin de mettre en évidence la variation de la chute de tension en fonction de la nature du circuit alimenté. U (V) 400 V 390 V 380V N tr/mn et Iex constant 400 V Cos φ capacitif Cos φ résistif Cos φ inductif 0 In I (A) NB : En pratique le régulateur de tension agit sur le courant d excitation pour maintenir la tension à peu près constante. 15/53

16 5) Diagramme des tensions et autre expression de la f.e.m. En général la résistance R est très faible devant Lw ;on n en tient compte que dans le calcul du rendement. E = LwI + V E = LwI + V ou E = jlwi + (Vcos + jvsin ) = j (LwI + Vsin ) + Vcos E LwI O V C A I On peut aussi appliquer la relation ci dessous en considérant le triangle rectangle OAB,rectangle en A : OB² = OA² + AB² =OA² + (AC + CB)² En remplaçant par leur valeur : E² =(Vcos )² + (LwI + V sin )² En développant on obtient : E² = V² + 2V.LwI.sin +( LwI )² 16/53

17 6) DIAGRAMMES DE FONCTIONNEMENT EN CHARGE Les paramètres de fonctionnement de l alternateur sont : 1- La vitesse N 2- La tension V 3- Le courant de charge I 4- Le courant d excitation Iex 5- Le facteur de puissance cos φ Charge resistive E LWI L alternateur produit uniquement de la puissance active θ Charge inductive V I (A) θ E LWI L alternateur produit de la puissance active et de la puissance réactive L alternateur est surexcité φ V Charge capacitive I (A) E φ I LWI L alternateur produit de la puissance active et absorbe de la puissance réactive L alternateur est sous excité θ V 17/53

18 Diagramme P Q S S = P + Q S = P + jq S Q φ P ALTERNATEUR MONOPHASE P = S cosφ = UI cosφ Q = S sinφ = UIsin φ S = UI = P² +Q² ALTERNATEUR TRIPHASE P = S cosφ = 3 UI cosφ Q = S sinφ = 3 UIsin φ S = 3 UI = P² +Q² Etant donné que seule la puissance active est prise en compte pour la facturation abonnés, les alternateurs devront fonctionner avec un bon facteur de puissance. Soit un alternateur de 9,9 MVA ;5 500V ;50Hz aux P (MW) Q (MVAR) Sn (MVA) cos φ = 1 9,9 0 9,9 cos φ = 0,8 7,92 5,94 9,9 cos φ = 0 0 9,9 9,9 - Si cos φ = 0,8 et que l alternateur débite une puissance active de 9,9 MW alors celuici sera surchargé car : S = 9,9²+5,94² =11,545 MVA ce qui est supérieur à Sn=9,9MVA 18/53

19 METHODE DE POTIER Il donne une bonne approximation lorsqu il est appliqué aux alternateurs à rotor lisse. Cette méthode fait intervenir : la réactance de fuite, généralement représenté par à laquelle correspond une chute de tension I, déphasé de π/2 sur le courant I ; le coefficient d équivalence α des ampères tours de l inducteur et de l induit, qui permettra de calculer αi à déduire des ampères-tours de l inducteur. On admet que α et sont les mêmes quelque soit le déphasage du courant sur la tension. Il est plus facile de les déterminer lorsque ce déphasage est de π/2 ( essai en déwatté ou circuit purement inductif). La charge peut être constituée de bobines ou de moteurs asynchrones fonctionnant à vide (cos φ v < 0,2). La relation Ev = f ( Ie ) n est valable qu à vide. En charge la machine est à la fois magnétisée par Ie courant continu i ex de l inducteur et le courant alternatif I produit dans le stator. Ør = Ø ( I ) + Ø ( Ie ) Il y a donc 2 courants et trois flux dans la machine. Chaque courant est en phase avec le flux qu il produit. Les vecteurs des f. e.m. sont en retard de π/2 sur les flux qui les produisent. On peut donc placer sur le diagramme : - Une f. e. m. de Behn Eschenburg soit Ev orthogonale à Ø ( Ie ) - Une f. e. m. résultante Er orthogonale à Ør - Un vecteur αi équipollant à Ø ( I ) et tel que Ir = αi + Ie Dans ce diagramme, les trois côtés du triangle des courants ( donc des flux ) sont respectivement perpendiculaires aux trois vecteurs des tensions. Dans le diagramme de Potier LwI sera du à une inductance de fuite indépendante de la saturation donc constante ( analogue à l inductance de fuite de KAPP pour un transformateur ). 19/53

20 Diagramme de POITIER Equation des forces magnétomotrices. FMMr = FMM inducteur + FMM induit : c est la f.m.m. de Potier FMMr = mj + mαi m = nombre de spires inductrices par pôle. α = coefficient d équivalence La FMM résultante pourrait elle même être due à un courant d excitation fictif Jo=Jr passant dans les m spires de chaque pôle. mjo = mj + mαi ;en divisant par m : Jo = Jr = J + αi Expression des FE M Inducteur mj Øf Induit m α I mjo Øu Øt induit Fem Ev Fem en charge Ec = U + RI E = U + RI + λi Hypothèse de Potier: les coefficients α et λ sont constants et indépendants du courant I,de la tension U et de l excitation J. Jo=Ir : courant d'excitation résultant orthogonal à Er J=Ie : courant continu d'excitation orthogonal à Ev (fem de Behn-Eschenburg) α I : courant d'excitation complémentaire en phase avec le courant induit I et perpendiculaire à LwI αi Ev J=Ie Jo=Jr Er Réaction d'induit 0 φ U RI λi I 20/53

21 Diagramme de Potier αi Autre forme du diagramme obtenu en faisant tourner le diagramme des intensités de π/2 J=Ie 0 Jo=Jr φ U Er RI LwI 0 φ J Jo U αi RI Er LwI Détermination de α et λ On procède par trois essais : Essai à vide : Voir méthode de Behn-Echenburg Essai en court-circuit : Voir méthode de Behn-Echenburg Essai en charge purement inductive (ou en déwatté):l alternateur débite dans des bobines d inductance réglable dont la résistance est faible par rapport à la réactance (on peut aussi utiliser des moteurs asynchrones fonctionnant à vide).l intensité de charge est maintenue constante à la valeur I que doit débiter l alternateur ;On fait varier l excitation J et on relève la tension U. Caractéristiques Caractéristique à vide Caractéristique en débit réactif Caractéristique en court-circuit E ou U E ou U Icc I=0 I = Constante I J ou Iex o J ou Iex J ou Iex o s o s Jcc Jcc Remarque : - La caractéristique à vide E(iex) est semblable à la caractéristique en déwatté ou en débit réactif U ( Iex) ; on peut passer de l une à l autre par translation ; 21/53

22 - La caractéristique en court-circuit est une droite pour les faibles excitations et s infléchit avec la saturation du circuit magnétique, - La longueur OS mesure le courant d excitation (Jcc=Iexcc) pour lequel la tension est nulle pour le courant I débité : c est donc l abscisse du point de la caractéristique en court-circuit dont l ordonnée mesure I. Diagramme de Potier en court-circuit Résistance des enroulements non nulle φ est proche de 90 Résistance des enroulements négligée φ = π/2 αi αi J 0 I Jo φ U RI E v LwI J 0 I Jo π/2 φ= π/2 U E v LwI Les vecteurs étant en phase,on peut établir les relations suivantes : E v = U + λi J = J o + αi E v : f.e.m. à vide U : tension en charge λi :chute de tension inductive J : courant d excitation nécessaire pour débiter le courant de charge I J o :courant d excitation nécessaire pour obtenir à vide la fem Ev = U + λi αi : courant d excitation complémentaire équivalent de l induit λi E,U B A Icc Q M P αi γ N E (J) U (J) en débit réactif U Icc MP = RT = λi PN = RS = αi OS = QN =Jcc MN = I ( α² + λ² ) C T tg γ = α / λ I 0 R Jcc S J ou iex Jo J αi 22/53

23 Méthode de résolution Pour déterminer α et λ,il suffit de connaître le triangle rectangle MPN : a) Tracer la caractéristique à vide E(J), b) Tracer la caractéristique en court- circuit, connaissant un point L de l essai, c) Déterminer un point ( au delà de son coude de saturation) de la caractéristique en débit réactif à courant I constant donné et tension U donnée, d) Déterminer un point de la caractéristique en court-circuit (OC = Jcc), donnant en courtcircuit le courant I imposé (ordonnée du point) e) Tracer le triangle MQN comme suit : NQ=OC ; MQ // OT f) Mesurer à l échelle : PN = αi ; MP = λi Détermination graphique : Choisir des échelles pour E ; Icc ; iex 1) Tracer la caractéristique à vide Ev (iex) 2) Tracer la caractéristique en court-circuit Icc ( iex) 3) Mettre en place le point C correspondant au courant I d en charge en déwatté 4) Projeter le point sur la droite Icc(iex),puis sur l'axe des abcisses iex pour trouver S 5) Utiliser les valeurs de U et iex de l'essai en déwatté pour mettre en place N Détermination graphique Appliquer la règle de trois aux deux essais: i exo = i excc * I d / I cc Diagramme de Blondel. Dans cette méthode la relation d induit est décomposée en une réaction directe ou longitudinale et une réaction transversale, et l on admet que le courant induit agit de façon différente par ses deux composantes active et réactive I cosφ et I sin φ, φ étant le déphasage de I sur E. Le courant de l induit donne une force magnétomotrice, proportionnelle à sinφ, de sens contraire à celle de l induit ou de même sens, selon la valeur de, et qui constitue la réaction directe. Le courant traversant les conducteurs de l induit, au moment où ces conducteurs sont placés symétriquement par apport à l axe d un pôle inducteur, crée un flux transversal qui provoque une distorsion du flux résultant : ce phénomène constitue la réaction transversale Ces réactions se traduisent dans le diagramme par deux réactances, l une directe Xd, l autre transversale Xt. 23/53

24 C/ RENDEMENT DE L'ALTERNATEUR 1) DIFFERENTES PERTES DE L ALTERNATEUR Les pertes dans toute machine électrique se traduisent toujours par un échauffement qui doit être limité si on ne veut pas détruire les matériaux constituant les différentes parties de la machine. Les différentes pertes d'un alternateur sont : - les pertes par effet Joule dans l induit et dans l inducteur, - les pertes par courant de Foucault, - les pertes par hystérésis, - les pertes par ventilation de l'alternateur, - les pertes par frottement de l'arbre de l'alternateur dans ses paliers, - les pertes supplémentaires. a) PERTES PAR EFFET JOULE Tout courant passant dans un fil conducteur provoque l échauffement du conducteur. Les courants passant dans l'enroulement du stator et dans l'enroulement du rotor produiront donc un échauffement des conducteurs. La quantité de chaleur dégagée est proportionnelle au carré de l'intensité (I) du courant qui circule dans le conducteur, à la résistance électrique (R) du conducteur au temps (t) de passage du courant dans le conducteur. La résistance d'un conducteur est proportionnelle à : a) - un coefficient ρ qui est une caractéristique du conducteur, ce coefficient croit quand la température du conducteur augmente. b) - la longueur L du conducteur. c) - l inverse de la section S du conducteur. Ce qui peut s'écrire : R = ρl / S Energie transformée en chaleur : R I² t La puissance P correspondant à cette perte qui est égale à : P = R I² 24/53

25 Pertes joule inducteur L inducteur est alimenté en courant continu ;la puissance perdue par effet joule dans le circuit d excitation est : P e = R e I e ² = U e I e = U e ²/ R e Prenons par exemple le rotor d'un alternateur de résistance R = 0,80Ω. Si le courant d'excitation de l'alternateur est de 200 ampères, la puissance correspondant aux pertes par effet Joule dans le rotor sera : P jr = 0,8 x 200 x 200 = W ou 32 kw Pertes joule induit On pourrait faire un calcul analogue pour calculer les pertes par effet Joule dans chaque phase du stator en connaissant la résistance d'une phase et l'intensité du courant circulant dans chaque phase. Pour une phase de résistance r on aura : P js = r I² Pour l ensemble des trois phases : P js = 3 ri² Si R est la résistance mesurée entre deux phases du stator : P js = 1,5RI² Il faut remarquer que les pertes par effet Joule sont proportionnelles au carré du courant. Si, par exemple, le courant double dans les phases du stator les pertes par effet Joule dans le stator seront multipliées par 4. De même, si le courant d'excitation de l'alternateur double, les pertes par effet Joule dans le rotor seront multipliées par 4. b) PERTES PAR COURANTS DE FOUCAULT Les tôles du circuit magnétique stator sont balayées par le champ tournant. Des forces électromotrices sont engendrées à l'intérieur même des tôle ; ces forces électromotrices font circuler des courants dans les tôles, ces courants sont appelés "courants de Foucault". Les courants de Foucault produisent un échauffement des tôles par effet Joule. c) PERTES PAR HYSTERESIS Les tôles du circuit magnétique sont parcourues par un champ variable qui fait varier l'aimantation des tôles. Cette variation de l'aimantation provoque un échauffement supplémentaire des tôles. 25/53

26 d) PERTES PAR VENTILATION DE L'ALTERNATEUR Pour évacuer la chaleur produite par les pertes de l'alternateur on fait circuler un fluide gazeux (air ou hydrogène) dans les canaux de ventilation du rotor et du stator. La circulation du fluide est produite au moyen de deux ventilateurs calés sur l'arbre du rotor de part et d'autre des extrémités. Une certaine puissance est nécessaire pour vaincre toutes les forces de frottement du fluide sur les parties métalliques et les enroulements qu'il rencontre sur son passage. On voit donc que l'énergie dépensée pour faire tourner les ventilateurs se transforme en chaleur. e) PERTES PAR FROTTEMENT DE L ARBRE DE L ALTERNATEUR DANS SES PALIERS La quantité de chaleur correspondant à ces pertes est évacuée par l'huile qui sert au graissage. L'huile s échauffe au passage dans les paliers, elle est refroidie dans un réfrigérant avant d être envoyée à nouveau dans les paliers. f) PERTES SUPPLEMENTAIRES Ces pertes correspondent aux courants produits par les forces électromotrices qui résultent d'une répartition inégale du champ magnétique particulièrement dans la profondeur des encoches du stator. Ces courants produisent un échauffement par effet Joule. Elles ne sont pas mesurables. 2) REPRESENTATION GRAPHIQUE DES DIFFERENTES PERTES Les pertes de puissance de l alternateur se divisent en deux catégories : - Les Pertes supplémentaires :elles ne sont pas mesurables ni calculables. - Les pertes dites mesurables :Pertes fer, Pertes joules de l induit, Pertes joules de l inducteur et les Pertes mécaniques. Les pertes fer et mécaniques sont indépendantes de la charge. Pertes (kw) cos =0,8 Pertes joule inducteur Pertes joule induit Cos = 1 Pertes fer Pertes mécaniques Puissance apparente (kva) 26/53

27 Les pertes joules de l induit croissent avec la charge. Les pertes par excitation croissent avec la charge et dépendent du facteur de puissance (surexcitation ou sous excitation pour maintenir constante la tension aux bornes de la charge) 3) L IMPORTANCE DES PERTES DANS UN ALTERNATEUR La puissance P nécessaire pour I entraînement de l'alternateur est égale à la puissance utile augmentée des pertes. On peut donc dire que le rendement est égal au rapport de la puissance utile à la puissance utile augmentée des pertes totales p. Nous pouvons écrire que le rendement est égal : η = Pu / (Pu + pertes) Puissance utile ALTERNATEUR MONOPHASE P = UI cos ALTERNATEUR TRIPHASE P = 3 UI cos 4) MESURE DU RENDEMENT APPROCHE Les méthodes les plus courantes de mesure du rendement consistent à mesurer ( ou à évaluer ) les pertes de la machine. Elles mettent en œuvre une puissance beaucoup plus faible que la puissance nominale de la machine. Les pertes fer et les pertes mécaniques se mesurent, à vide, de deux manières : a) Méthode du moteur auxiliaire taré :Un moteur de puissance réduite, taré, entraîne l alternateur, à vide, la machine étant excitée à l intensité Ie, prévue pour le fonctionnement en charge. On mesure la puissance fournie par le moteur taré : - avec excitation, d où W 1 = P m + P fer ; - Sans excitation (Ie = 0). Les seules pertes sont de nature mécanique, soit W 2 = P m. On évalue ainsi les pertes mécaniques et les pertes fer ; b) La machine synchrone fonctionne en moteur à vide, le moteur absorbe, à partir du réseau, une puissance P o telle que P O = P m + P fer +1,5R a I o ² Augmentée éventuellement de la puissance absorbée par la génératrice en bout d arbre, celle qui fournit le courant inducteur d intensité Ie ( les pertes Joule dues au courant à vide dans l induit sont le plus souvent négligeables ). 27/53

28 Pour les pertes Joule dans l induit, en mesurant la résistance entre deux bornes de l induit, que le montage interne soit étoile ou triangle, on aboutit à P ja = 1,5 R a I 2 (I :Intensité du courant de ligne et R résistance mesurée entre deux phases du stator) c) Alternateur en court-circuit entraîné par un moteur taré : L alternateur est entraîné à sa vitesse normale ;on l excite de façon qu il débite en court-circuit le courant de charge pour lequel on veut déterminer le rendement. W 3 = P m + P ja +P sup (Les Pertes fer sont négligeables car la FEM est très faible) FORMULES DU RENDEMENT Pour un alternateur, le rendement n a pour expression (excitation séparée ) : Avec les notations suivantes : U : tension entre phases, I : courant de ligne, P fer : pertes fer, P m : pertes mécaniques P ja : pertes joule induit ALTERNATEUR MONOPHASE UIcosφ η = UIcosφ+P fer +P m +P ja +P je P je : pertes joule circuit d excitation ALTERNATEUR TRIPHASE η = 3 UIcosφ 3 UIcosφ+P fer +P m +P ja +P je 28/53

29 D/ ALTERNATEUR TRIPHASE 1) Constitution Comment obtenir à l aide d un alternateur des courants triphasés? Trois bobines identiques, décalées dans l espace de 120, produisent trois f.e.m, de même valeur, de même fréquence, mais déphasées entre elles de 1/3 de période V 3 V 3 V 2 Lorsque l inducteur effectue un tour, il engendre dans chaque bobine une période de f.e.m. Afin d utiliser plus rationnellement le stator, il est possible de doubler le nombre de bobines par phase. Généralement les bobines d une même phase sont associées en série dans un sens tel que leurs f.e.m. s ajoutent pour donner des tensions élevées. 2) Couplage des alternateurs L alternateur peut être couplé en triangle ou en étoile ;la plupart des constructeurs utilisent le raccordement étoile car il offre les avantages suivants : 1) Une tension plus basse dans le bobinage de chacune des phases d où isolation moindre ; 2) Coût de construction plus économique ; 3) Possibilité de protection du bobinage par retour du neutre de l alternateur (masse stator). 29/53

30 Il est possible de relier un conducteur de chaque phase pour constituer le conducteur neutre. L ampèremètre permet de vérifier que lorsque le circuit est équilibré l intensité dans ce conducteur neutre est nulle. Bien que le conducteur neutre soit supprimé, les lampes restent alimentées normalement car leur point commun constitue un neutre artificiel. Or, les alternateurs de centrale débitant toujours en circuit équilibré, le conducteur neutre n est donc pas nécessaire. CONCLUSION : En production d énergie électrique le neutre des alternateurs sert pour la mise à la terre. 3) Tension simple et tension composée Le couplage des bobines de l induit que nous avons réalisé est appelé : couplage étoile. Tous les alternateurs sont couplés en étoile. QUE DESIGNE-T-ON PAR : TENSION SIMPLE ET TENSION COMPOSEE? - Les tensions simples sont les tensions de chaque phase. - Les tensions composées sont les tensions mesurées entre conducteurs de phase. Un alternateur possède : - 3 tensions simples V 1 - V 2 - V 3-3 tensions composées U U U 3-1 Les tensions composées sont 3 fois plus fortes que les tensions simples : U / V = 3 30/53

31 4) Impédances internes SCHEMA EQUIVALENT D UN ALTERNATEUR TRIPHASE ALTERNATEUR RECEPTEUR I 1 Rotation X V Z R Rotor Z 1 1 S N E 0 + E -240 Uex E -120 Z R R X Z 2 2 I 2 X I 3 3 1

32 E/ EXCITATION DES ALTERNATEURS La valeur de la tension induite dans un enroulement d alternateur dépend de trois facteurs : - la vitesse de rotation de l alternateur, - l intensité du champ magnétique, - la longueur du conducteur placé dans le champ magnétique. E = BLV Etant donné que la vitesse de rotation de l alternateur doit demeurer constante et que la longueur du conducteur est fixe, le facteur déterminant est l intensité du champ magnétique. L intensité du champ magnétique ou densité des lignes de force dépend du courant d excitation, qui lui-même dépend de la tension d excitation (loi d Ohm). C est donc dire qu en faisant varier le courant d excitation (ou la tension), on peut faire varier la tension aux bornes de l alternateur. Le système d excitation de l alternateur est la source du courant continu créant le champ dans l alternateur. Il y a deux types d excitation : - L excitation dynamique ; - L excitation statique. 1) l excitation dynamique Dans la plupart des systèmes à excitation dynamique la source de courant continu est une génératrice à courant continu fixée en bout d arbre de l alternateur. L usure des balais constitue un inconvénient de ce système. Les anciens alternateurs à bagues ont une extrémité du bobinage réunie à une bague A et l autre à une bague B. Les bagues sont calées sur l arbre du rotor avec interposition d un isolant. Des balais frottent sur les bagues et permettent l amenée du courant dans le bobinage. Les connexions des balais de la bague A seront réunies par exemple au pôle positif de la source de courant continu, les connexions des balais de la bague B étant réunies au pôle négatif. ROTOR D ALTERNATEUR A BAGUES Rotor d alternateur :remarquer la forme des pôles, des deux bagues amenant le courant continu d excitation et le ventilateur de refroidissement calé sur l arbre 32/51

33 GENERATRICE A COURANT CONTINU Tout comme l alternateur elle possède un rotor (l induit) et un stator (inducteur) ;le collecteur sert à recueillir les tensions générées par les bobines de l induit. Deux bagues (positive et négative) frottant sur le collecteur permet d alimenter le rotor de l alternateur. Collecteur ROTOR (induit) STATOR (Inducteur) 2) l excitation statique (utilisée à la SONABEL). Les alternateurs sans bagues ni balais ont leurs extrémités de bobinages reliées aux pôles positive et négative du pont de diodes tournantes (voir excitation). L excitatrice est un alternateur triphasé à inducteur fixe (stator) et à induit tournant (rotor).la tension triphasée induite dans le rotor est redressée par des diodes, permettant de fournir le courant d excitation Ir au rotor de l alternateur principal. La partie tournante est en rouge. EXCITATRICE PONT DIODES ROUE TOURNANT POLAIRE STATOR INDUCTEUR INDUIT Régulateur 33/53

34 4) Alternateur moyenne tension Le commutateur permet de choisir le mode de fonctionnement :Auto (réglage de la tension par le régulateur) ;Manu (réglage par potentiomètre).la partie tournante est en rouge. Régulateur A 100V 15 KV Iex M Diodes 152V 15 KV G Ir G 3 ~ 3 ~ Diodes Excitatrice tournantes 6,6 MVA 5,5 KV 5) Vues en coupe 5,5KV / 15 KV Réseau 34/53

35 6) Pont redresseur tournant Trois diodes à cathodes filetées Trois diodes à anodes filetées Cathode filetée Défauts d une diode : diode passante dans les deux sens : diode en court-circuit diode bloquée dans les deux sens : diode coupée Anode filetée 35/53

36 FONCTIONNEMENT D UN ALTERNATEUR A/ L'ALTERNATEUR ALIMENTE SEUL UN RESEAU REGLAGE EN CHARGE D UN ALTERNATEUR QU ELLES SONT LES CONSEQUENCES D UNE AUGMENTATION DE LA PUISSANCE ACTIVE DEBITEE PAR UN ALTERNATEUR : SUR LA FREQUENCE? SUR LA TENSION? La fréquence diminue La tension diminue Quand la charge d un alternateur Augmente sa vitesse diminue Trois causes sont à l origine de cette diminution : Sachant que f = p n -la vitesse E = K Φ N p n - la chute de tension U = E- ZI Si la vitesse diminue la fréquence diminue dans les mêmes proportions - la réaction d induit qui diminue le flux résultant E = K Φ N p n COMMENT MAINTENIR LA TENSION ET LA FREQUENCE CONSTANTES? 36/53

37 En général un alternateur produira en même temps de la puissance active et de la puissance réactive. La puissance active et la puissance réactive de l'alternateur devront être respectivement égales aux puissances active et réactive du réseau alimenté. Si la puissance active fournie par l'alternateur est trop faible sa vitesse baisse, la fréquence diminue. Pour maintenir la fréquence on devra augmenter le débit (d eau ou de combustible) dans la turbine ou du moteur qui entraîne l'alternateur. Inversement, si la puissance active fournie par l'alternateur est trop élevée, sa vitesse croit, la fréquence augmente, on devra diminuer le débit (d eau ou de combustible) dans la turbine ou du moteur. Si la puissance réactive fournie par l'alternateur est trop faible la tension de l'alternateur baisse. Il faudra augmenter l'excitation de l'alternateur pour ramener la tension à sa valeur normale. Inversement, si la puissance réactive fournie par l'alternateur est trop élevée,la tension augmente. il faudra diminuer le courant d'excitation de l'alternateur pour maintenir la tension. 1) réglage de la tension a) Tension aux bornes de l alternateur Le champ tournant dû au rotor produit dans les enroulements triphasés du stator des f.e.m triphasées. Si les enroulements du stator ne sont parcourus par aucun courant la tension entre les bornes de l alternateur sera égale à la force électromotrice Ev, dite force électromotrice à vide, développée dans ses enroulements. b) Influence du facteur de puissance sur la tension aux bornes de l alternateur Si l alternateur débite sur un réseau inductif, c est-à-dire sur un réseau qui demande une puissance réactive, le courant est déphasé en arrière sur la tension. Si le déphasage augmente la puissance réactive augmente, le facteur de puissance diminue, le champ du stator affaiblit le champ du rotor, la tension aux bornes de l alternateur baisse, la chute de tension due à la réaction d induit a augmenté. 37/53

38 Si l alternateur débite sur un réseau trop capacitif, le courant est déphasé en avant sur la tension, le réseau produit une puissance réactive. Lorsque le déphasage en avant augmente, le champ du stator augmente le champ du rotor, la tension aux bornes de l alternateur augmente et peut même prendre une valeur supérieure à la force électromotrice à vide. c) Influence du courant débité par le stator sur la tension aux bornes de l alternateur A l exception du cas où l alternateur débite sur un réseau capacitif, pour une même valeur du facteur de puissance, la réaction d induit augmentera quand l intensité I du courant dans le stator augmentera et la tension aux bornes de l alternateur diminuera. d) Réglage de la tension aux bornes de l alternateur En exploitation, la tension d un alternateur alimentant un réseau séparé doit être maintenue constante quels que soient le facteur de puissance et l intensité du courant débité par le stator. Pour arriver à ce résultat, on augmente la force électromotrice Ev en agissant sur le courant dans le rotor de l alternateur appelé «courant d excitation de l alternateur». Si on augmente ce courant, le champ produit par le rotor augmentera ; il en résultera une augmentation de Ev et de la tension aux bornes U. On obtiendrait le résultat inverse en diminuant le courant d excitation. Dans les centrales, ce réglage est obtenu automatiquement à l aide de régulateurs de tension. Les différents exemples que nous avons donnés montrent, par exemple, que si pour le courant normal In on veut maintenir la tension normale Un, il faut augmenter d autant plus le courant d excitation que le facteur de puissance (cos φ) est plus faible. Si le facteur de puissance devient trop faible, on ne pourra plus maintenir la tension Un pour le courant In sans dépasser l intensité maximale admissible dans les enroulements du rotor. Si on franchit cette limite, il peut en résulter des échauffements exagérés préjudiciables à la bonne tenue des isolants du rotor. La plaque de l alternateur donne le cos φ minimal qui peut être maintenu pour la tension normale Un et le courant normal In. 38/53

39 2/ réglage de la fréquence a) Facteurs dont dépend la fréquence La fréquence est liée à la vitesse du turbo-alternateur par la relation : f = PN 60 f : fréquence en hertz (Hz) P : nombre de paires de pôles du rotor N : vitesse en tours minute Au Burkina, la fréquence des réseaux est unifiée à 50 périodes par seconde ou 50 Hz ; ainsi, un alternateur tournant à 500 tr/mn aura 6 paires de pôles (12 pôles). La fréquence étant proportionnelle à la vitesse, un réglage de fréquence conduit toujours à un réglage de vitesse. Ce réglage de vitesse est obtenu par action sur le moteur d entraînement de l alternateur par l intermédiaire d un régulateur. b) Rôle et action du régulateur Le régulateur doit maintenir le turbo-alternateur à vitesse constante. Il devra donc, quand la puissance du réseau augmentera, augmenter le débit d eau ou de combustible, pour maintenir la vitesse constante. Inversement, il devra diminuer le débit d eau ou de combustible quand la puissance du réseau diminuera. Le régulateur peut être hydraulique, mécanique ou électronique. 39/53

40 B/ L'ALTERNATEUR ALIMENTE UN RESEAU EN PARALLELE AVEC D AUTRES ALTERNATEURS a) Conditions de couplage d un alternateur sur le réseau 1) Fréquence alternateur = fréquence réseau 2) Tension alternateur = tension réseau 3) Concordance des phases Ces conditions sont à respecter scrupuleusement sinon destruction du groupe b) Conséquences d un mauvais couplage 1 Le non-respect de l égalité des fréquences Le non-respect des fréquences peut provoquer des retours de puissances ou des couplages en opposition de phases qui peuvent détériorer l alternateur et les artifices d excitation et créer des incidents sur les autres groupes. NB :I l est conseillé,au moment du couplage, de garder la fréquence de l alternateur légèrement supérieure à celle du réseau pour éviter les retour de puissance. 2 Le non-respect de l égalité des tensions Cela implique que la différence des tensions n est pas nulle entre l alternateur et le réseau. Ce qui va provoquer des courants de circulation dans les enroulements de l alternateur. Ces courants sont d autant plus élevés que la différence est plus grande. Ce phénomène est susceptible d endommager l alternateur et les artifices d excitation tels que :les diodes, le régulateur de tension etc. 3 Le non-respect de la concordance des phases Le non-respect de cette condition conduit a un couplage en opposition de phases avec des courants de circulations très forts qui peuvent endommager le disjoncteur, l alternateur et les artifices d excitation. Le couplage en opposition de phase peut provoquer des incidents sur les autres groupes. De façon générale disons qu un mauvais couplage peut détériorer un groupe, créant ainsi son immobilisation temporaire ou définitive, causant ainsi des pertes financières. 40/53

41 c) Appareils de synchronisation Synchronoscope Il est muni d un moteur dont la vitesse de rotation dépend de la différence entre les fréquences réseau - alternateur Le couplage se fait au passage par zéro de l aiguille et les lampes éteintes. L alternateur tourne moins vite : augmenter la vitesse de l alternateur L alternateur tourne plus vite : diminuer la vitesse de l alternateur Indicateur d ordre des phases ou lampes de synchronisation Lors de la première installation du moteur ou quand des modifications ont été faites à l installation, il est nécessaire de s assurer que les phases de la ligne et celles du moteur se correspondant dans le même ordre à l interrupteur de couplage. On monte alors trois lampes de phase comme l indique. - Si les connexions sont bonnes, les trois lampes s allument et s éteignent ensemble, quand le synchronisme est proche ; - Si la jonction des phases est mauvaise, les lampes s allument et s éteignent les unes après les autres. Si la jonction des phases est mauvaise, il faut arrêter le moteur et croiser les connexions de deux de ses phases à l interrupteur de couplage. Le voltmètre différentiel 0 mesure la différence des tensions +10% -10% alternateur réseau? Le couplage se fait l aiguille à zéro Tension alternateur = Tension réseau V Tension alternateur supérieure à la tension du réseau :diminuer la tension de l alternateur Tension alternateur inférieure à la tension du réseau :augmenter la tension de l alternateur 41/53

42 Le fréquencemètre Deux fréquencemètres permettent Réseau de mesurer et de comparer les fréquences du réseau et de l alternateur. Alternateur Montage des équipements de synchronisation Réseau Hz V SYNC V Hz V Excitation Fonctionnement en parallèle G Lorsque deux alternateurs sont en parallèle : 1 - Leurs vitesses sont les mêmes ou multiples du nombre de leurs paires de pôles ; 2 - La tension à leurs bornes est égale ; 3 - La puissance active absorbée par le réseau est égale à la somme des puissances actives fournies par les machines. 4 La puissance réactive absorbée par le réseau est égale à la somme des puissances réactives fournies par l'ensemble des machines synchrones. 42/53

43 Nous retiendrons de tout ceci que lorsqu'une machine est couplée à un réseau très important on peut faire varier la puissance réactive en agissant sur l'excitation. Par contre l'excitation n'a aucune influence sur la charge active qui ne peut être modifiée que par la régulation du moteur d entraînement (moteur diesel, turbine, etc.) sollicitée par le régulateur ou le variateur de vitesse. Comme on peut régler l'intensité et le déphasage d'un alternateur en agissant sur l'excitation, l'un des alternateurs peut fonctionner avec un cos avant et l'autre avec un cos arrière. P1 ; Q1 ; 1 G 3 Ia1 G 3 Ia2 I Z ( ) P ;Q ; P = P1 + P2 Q = Q1 + Q2 P2 ;Q2 ; 2 I a1 I S1 Q1 I a2 1 P2 P 2 P1 S Q S2 Q1 Q2 43/53

44 C/ LIMITES DE FONCTIONNEMENT D UN ALTERNATEUR La puissance d un alternateur est limitée par la puissance du moteur d entraînement Le courant dans le rotor (courant d excitation ) ne doit jamais dépasser la valeur nominale indiquée par le constructeur, sinon risque de destruction des enroulements du rotor par échauffement. Le courant dans le stator (courant de charge) ne doit jamais dépasser la valeur nominale indiquée par le constructeur, sinon risque de destruction des enroulements du stator par échauffement. En conclusion lors du fonctionnement de l alternateur il faudrait veiller à ne pas dépasser les valeurs limites des courants du stator et du rotor. Autrement dit,le constructeur donne la puissance apparente nominale S n = (P² + Q² ) car un alternateur produit en même temps des puissances réactive et active, fonction des besoins de la charge à alimenter. Produire trop de puissance réactive revient à surexciter l alternateur : risque de détériorer le bobinage du rotor. Produire trop de puissance active revient à augmenter le courant dans le bobinage du stator : risque de détériorer le bobinage. En conclusion, la puissance d un alternateur est limitée par : - La puissance du moteur d entraînement, - Le courant maximal pouvant circuler dans le stator sans risque d échauffement exagéré, - Le courant maximal pouvant circuler dans le rotor sans risque d échauffement exagéré, - L angle électrique θ entre U et E ;au delà de π/2, l alternateur devient instable et décroche. 44/53

45 Limite de stabilité Limite de puissance du moteur d entraînement P (KW) Limite du courant rotor C B E LwI Limite du courant stator O V A H Q (KVAR) I AC=LwIcosφ=LwIa=LwP/U ;donc AC est proportionnel à la puissance active débitée par l alternateur AH= AC=LwIsinφ=LwIr=LwQ/U ;donc AH est proportionnel à la puissance réactive débitée par l alternateur Triangle OHB :LwIcosφ = Esinθ ;donc sinθ=lwi/e=(lw*p)/(e*u) Lorsque U,E ou Iex restent constantes, le sinus de l angle θest proportionnel à la puissance active EXPRESSION DE LA PUISSANCE ACTIVE DÉBITÉE SUR LE RESEAU 3VE P = sin θ Lw V= tension simple E=FEM simple θ= angle interne ou angle entre U et V Lw=réactance synchrone par phase La puissance est maximale quand sin θ =1 soit θ = 90 Au-delà de la puissance maximale, l alternateur décroche P max = 3VE / Lw 45/53

46 D / MOTEUR SYNCHRONE L alternateur triphasé est réversible : alimenté par des courants triphasés, il fonctionne en moteur. Mais un couple moteur ne peut se produire que si le rotor tourne à la même vitesse que les champs tournants créés par le stator : c est pourquoi ces moteurs se nomment moteurs synchrones. Un moteur synchrone industriel est identique à un alternateur. 1. Démarrage des moteurs synchrones Brancher un moteur synchrone triphasé sur le réseau est une opération assez délicate. Il faut, en effet, réaliser les mêmes conditions préalables suivantes : 1. Amener l inducteur à tourner au synchronisme ; 2. Régler la f. c. é. m. du moteur à peu près à la valeur de la tension du réseau ; 3. S assurer que la tension du réseau et celle de la machine sont en concordance de phase ; 4. Vérifier que les phases de la ligne et du moteur sont disposées dans le même ordre. Mise au synchronisme Si l on dispose de courant continu, on entraîne l alternateur par l excitatrice fonctionnant comme moteur. On utilise parfois un moteur asynchrone spécial pour la mise en vitesse du moteur synchrone. On peut aussi, avec un auto - transformateur pour limiter l intensité prise au réseau, démarrer le moteur en asynchrone. Les circuits amortisseurs ou les pièces polaires pleines de l inducteur jouent le rôle de cage d écureuil. 46/53

47 2- En faisant varier l excitation d un moteur synchrone, on modifie le déphasage de la tension sur l intensité. a) Chargeons un moteur synchrone en lui faisant entraîner une dynamo qui débite une puissance constante. Modifions l excitation du moteur synchrone et mesurons pour chaque valeur i du courant d excitation, l intensité I absorbée par le moteur. Traçons la bourbe de I en fonction de I ex : nous obtenons une courbe dite courbe en V ou courbe de Mordey. Il existe une courbe analogue pour chaque valeur de la puissance fournie par le moteur ;ces courbes montrent que, pour une charge constante, l intensité absorbée à tension constante par un moteur synchrone passe par un minimum pour une valeur déterminée de l excitation. b) Puisque la puissance active du moteur reste constante ainsi que la tension, l intensité active du courant absorbé ne varie pas : c est l intensité réactive qui change. A faible excitation, l intensité du courant absorbé est grande,donc sa composante réactive est grande ; l intensité est fortement déphasée en arrière sur la tension. Quand l excitation croît, ce déphasage diminue d abord ainsi que l intensité absorbée. Au minimum d intensité absorbée, le déphasage est nul, et le facteur de puissance du moteur est égal à l unité. Si l on augmente davantage l excitation, l intensité absorbée croît. Il y a nouveau déphasage de l intensité sur la tension, mais en sens contraire. A faible excitation, le moteur synchrone prend de l énergie réactive au réseau pour renforcer l excitation insuffisante. Inversement, dans le cas de forte excitation, la machine fournit de l énergie réactive au réseau. Un moteur synchrone surexcité relève donc le facteur de puissance de l installation. 47/53