MACHINE SYNCHRONE. COURS 4 Elec 1. INTRODUCTION 2. CONSTITUTION GENERALE. Nom : Prénom : Fiche :

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1 Nom : MACHINE SYNCHRONE Prénom : Fiche : COURS 4 Elec Date : A classer : B - S0 T ELEEC Gr : Objectif terminal : Connaître et définir les grandeurs caractéristiques et le fonctionnement dans les 2 quadrans d une machine synchrone. Domaine : S0.3, Appareils électromagnétiques, machines à courant alternatif. 1. INTRODUCTION La machine synchrone, appelée ALTERNATEUR si elle fonctionne en génératrice, fournit un courant alternatif monophasé ou triphasé. Les alternateurs sont utilisés pour produire de l'électricité, on les retrouve dans toutes les centrales EDF (hydraulique, thermique, nucléaire, éolienne etc. ) et aussi dans les groupes électrogènes. En fonctionnement MOTEUR, sa fréquence de rotation est imposée par la fréquence du courant alternatif qui alimente l'induit, dans ce cas, le rotor tourne à la vitesse du champ tournant. Les moteurs synchrones sont utilisés pour la traction comme pour le TGV atlantique et aussi comme redresseur de facteur de puissance appelé compensateur synchrone dans l'industrie. 2. CONSTITUTION GENERALE L'alternateur ou le moteur possède deux parties principales : - L'inducteur porté par le rotor parcouru par un courant continue. - L'induit porté par le stator parcouru par des courants alternatifs. 1

2 a. Inducteur (rotor) : Le champ magnétique est crée par un aimant permanent ou par un électro-aimant alimenté en courant continu. Le rotor tourne à la fréquence (f), et crée un nombre de paires de pôles (p). L'alimentation du rotor se fait soit par l'intermédiaire de balais assurant un contact glissant entre le collecteur (bagues) entraîné en rotation et les conducteurs allant à la plaque à bornes soit par un alternateur auxiliaire monté en bout d'arbre et inversé (inducteur au stator), le courant créé au rotor est redressé par un pont de diode tournant et alimente directement l'inducteur principal. Dans ce cas, il n'y a plus de contacts glissants dans la machine. - Rotor bobiné à pôles saillants : C'est un électro-aimant dont les pôles sont alternativement nord et sud. Les enroulements sont alimentés en courant continu, ils sont placés autour des noyaux polaires. Le nombre de pôles est toujours paire, il varie suivant la machine. Ce type de construction n autorise pas de grandes vitesses de rotation, n<1500 tr/min Production d énergie de 50 à 400 Hz dans les centrales hydrauliques, groupes électrogènes, etc... - Rotor bobiné à pôles lisses ou Turboalternateur : Le rotor est un cylindre plein dans lequel on a usiné des encoches. Il possède le plus souvent deux pôles. Ce mode de construction qui assure une grande robustesse mécanique est systématiquement adopté pour les alternateurs de fortes puissances dont la fréquence de rotation est élevée (3000 et 1500 tr/min). Production d énergie dans les centrales nucléaires. - Le rotor à aimant permanent : Comme son nom l indique, le rotor est constitué d un aimant naturel. Il n est donc pas nécessaire de posséder une autre source d énergie électrique pour créer un champ constant dans le rotor au contraire du rotor bobiné. 2

3 b. Induit (stator) : Le stator d une machine synchrone est identiques à celui d une machine asynchrone, il est constitué d un empilage de tôles magnétiques qui contiennent des encoches dans lesquelles sont insérées les bobines. 3. SYMBOLES En monophasé : En triphasé : 4. LE GENERATEUR SYNCHRONE OU ALTERNATEUR TRIPHASE a. Principe de fonctionnement A partir d une énergie mécanique, l alternateur crée une énergie électrique. Le rotor est constitué d un circuit magnétique qui fourni un champ magnétique constant. Ce rotor tourne à l intérieur d un stator composé de 3 bobines. Lorsque le champ magnétique fixe passe devant une bobine, il induit des courants à l intérieur de celle-ci. Pour chaque bobine, ce courant induit crée une différence de potentiel qui est une des tensions délivrée par l alternateur. Le réglage du courant qui traverse les enroulements de la roue polaire (Ie) permet de faire varier la tension de sortie de l alternateur. Le réglage de la vitesse de rotation de l arbre du générateur permet de faire varier la fréquence du système triphasé que délivre l alternateur. 3

4 b. Modèle équivalent - Représentation du modèle équivalent d'une phase de l'induit: L r I U L U r E V Une phase de l'induit est équivalente à une source de tension sinusoïdale E, de résistance r et de réactance interne Lω appelée réactance synchrone X. En régime sinusoïdal et considérant que la machine n'est pas saturée, l'équation de fonctionnement s'écrit : V = E L. ω. I r. I Soit : X L = L. ω : la réactance synchrone en ohm. Soit : Z = (r² + X L ²), l'impédance synchrone en ohm. La loi des mailles s'écrit : V = E U L Ur Connaissant : ϕ Déphasage courant tension, angle imposé par la charge. X Réactance synchrone I Intensité du courant dans la charge V Tension simple On peut déterminer le diagramme de Fresnel pour une phase. E U L Ur V ϕ I 4

5 c. Fréquence de la Force électromotrice La fréquence de la tension issue de l'alternateur dépend du nombre de paire de pôles de l'inducteur et de sa vitesse de rotation. f = p. n ou n = f / p p Nombre de paires de pôles. n Fréquence de rotation en tr/s. (ns = n) f Fréquence du courant statorique (FEM induite) en Hertz (Hz). d. Force électromotrice induite Un enroulement de l induit (stator) soumis au champ magnétique tournant de l entrefer est le siège d une F.E.M. e(t) de valeur efficace E. E = K. N. f. Φ E F.E.M.ou tension induite mesurée à vide entre une phase et le neutre en volt (V). N Nombre de conducteurs par phase de la machine (1 spire = 2 conducteurs). f Fréquence du courant statorique (FEM induite) en Hertz (Hz). Φ Flux maximum à travers un enroulement en Weber (Wb). K Coefficient de Kapp (caractéristique de la machine). K = 2,22.K D. K F avec K D facteur de distribution et K F facteur de forme. K 2,22 On peut aussi utiliser la version simplifiée de cette formule en regroupant toutes les constantes dans une seule donnée : E = K'. n.φ K' Constante globale (caractéristique de la machine). K' = K. N. p Remarques : Les enroulements sont disposés dans le stator de telle façon que la F.E.M e(t) soit la plus proche possible d'une forme sinusoïdale. En triphasé, le stator comporte trois enroulements ou phases. On obtient trois F.E.M. e1(t), e2(t) et e3(t) de même valeur efficace E1 = E2 = E3 et déphasées de 2π/3. 5

6 e. Bilan des puissances Pfs Pa Pu Pm Pjr Pjs Partie mécanique Partie électrique Bilan des puissances : Pa = Pu + Pjs + Pfs + Pjr + Pm - Puissance mécanique absorbée au rotor : Pa (Watt) Pa = Tm. Ω Tm Couple en Newton mètre (Nm). Ω Vitesse angulaire du rotor en radian par seconde (rad/s). avec Ω = Ωs = 2. π. ns ns = n Si la machine n'est pas auto-excitée, c'est à dire qu'il faut lui ajouter une alimentation continue pour l'inducteur, la puissance absorbée devient : Pa = Tm. Ω + u e. i e i e Intensité du courant d'excitation (A) u e Tension d'excitation (V) 6

7 - Pertes joule statorique (induit) : Pjs (Watt) Pjs = 3/2. R. I² R Résistance mesurée entre phases (Ω) - Pertes joule rotor (inducteur) : Pjr (Watt) Pjr = r e. i e ² = u e. i e r e Résistance de l'inducteur (Ω) i e Intensité du courant d'excitation (A) u e Tension d'excitation (V) - Pertes constantes ou collectives : Pc (Watt) Les pertes collectives sont constantes et indépendante de la charge, elles se mesurent à vide. Elles comprennent : - Les pertes fer au stator (hystérésis et Foucault), Pfs. - Les pertes mécaniques (frottements), Pm. Pc = Pm + Pfs - Puissance électrique utile au stator : Pu (Watt) Pu = U. I. 3. cos ϕ U Tension entre phases en volts (V). I Courant en ligne en ampère (A). cos ϕ Facteur de puissance de la charge. - Rendement η = Pu = Pa Pjs Pjr - Pc = Pu Pa Pa Pu + Pjs + Pjr + Pc 7

8 5. LE MOTEUR SYNCHRONE Le moteur synchrone tourne à la vitesse du champ tournant et celle ci est très régulière dépendant de la précision du fournisseur d'énergie (EDF). On peut régler son facteur de puissance cos ϕ en modifiant le courant d excitation Ie. Un moteur auxiliaire de démarrage est souvent nécessaire car ce moteur a un faible couple au démarrage. Il faut une excitation, c est à dire une deuxième source d énergie. - Ils sont utilisés en forte puissance (1 à 10 MW - compresseur de pompe, concasseur); toutefois pour faire varier la vitesse, il faut faire varier la fréquence des courants statoriques, le couple reste constant. Il a donc fallu attendre le développement de l électronique de puissance pour commander des moteurs auto-synchrones ou synchrones auto-pilotés (T.G.V. Atlantique ). - Dans le domaine des faibles puissances, les rotors sont à aimants permanents. L intérêt de ces moteurs réside dans la régularité de la vitesse de rotation (tourne-disque, appareil enregistreur, programmateur, servomoteur). - Le moteur synchrone peut également être utilisé comme source de puissance réactive Q pour relever le facteur de puissance cos ϕ d une installation électrique. a. Modèle équivalent - Représentation du modèle équivalent d'une phase de l'induit: L r I U L U r E' V Soit : X L = L. ω : la réactance synchrone en ohm. Soit : Z = (r² + X L ²), l'impédance synchrone en ohm. La loi des mailles s'écrit : V = E' + U L + Ur 8

9 b. Bilan des puissances Il est inversé par rapport à un alternateur. Pa = Pu + Pjs + Pjr + Pc - Puissance mécanique utile au rotor : Pu (Watt) Pu = Tu. Ω Tu Couple utile en Newton mètre (Nm). Ω Vitesse angulaire du rotor en radian par seconde (rad/s). avec Ω = Ωs = 2. π. ns ns = n - Puissance électrique absorbée au stator : Pa (Watt) Pa = U. I. 3. cos ϕ + u e. i e U Tension entre phases (V). I Courant en ligne (A). cos ϕ Facteur de puissance du moteur. u e Tension continue d'excitation aux bornes du rotor (V). i e Courant d'excitation dans le rotor (A). 9