BTS électrotechnique 1 ère année - Sciences physiques appliquées CH24 : L alternateur synchrone Production d énergie électrique Problématique : Des essais ont été réalisés sur un alternateur synchrone destiné à être couplé à une éolienne. Des mesures ont été relevées, mais les conditions dans lesquelles elles ont été réalisées non pas été notées. Pour éviter d avoir à refaire les mesures, vous devez retrouver par raisonnement ces conditions de mesures à partir des relevés. Enjeu : Rapport au programme : E machine synchrone et convertisseur de fréquence : E1. MACHINE SYNCHRONE : E1.1. Constitution : Principe de fonctionnement Réversibilité Objectifs : A l issue de la leçon, l étudiant doit : 24.1 Connaître les constitutions et les rôles du rotor et du stator pour le fonctionnement en alternateur 24.2 Connaître les deux grandes familles de rotors 24.3 Savoir déterminer la fréquence de la tension crée (f.e.m.) connaissant la vitesse du rotor et le nombre de paires de pôles de la machine 24.4 Savoir calculer la valeur efficace de la tension créée l expression étant donnée
Travail à effectuer : Lire attentivement l annexe (en essayant de le comprendre). Répondre à la problématique au travers des questions suivantes (au brouillon) : Les relevés de mesures sont les suivants : Essai 1 : Essai 2 : Essai 3 : Essai 4 : On sait que la mesure de e 1 a été réalisée pour une valeur de courant d excitation Ie=1A et une vitesse de rotation n=1500tr/min. 1. Comparer chacune des tensions e 2, e 3 et e 4 à la tension e 1 du point de vue amplitude et fréquence. 2. En déduire quel essai a pu être réalisé pour Ie > 1A et n=1500 tr/min. Justifier. 3. En déduire quel essai a pu être réalisé pour Ie = 1A et n > 1500 tr/min. Justifier. 4. En déduire les conditions de l essai non identifié par les questions précédentes 5. Quel est le nombre de paires de pôles de cette machine? En utilisant l annexe, réaliser la fiche résumée du chapitre. Pour cela, réécrire les différents objectifs et indiquer pour chacun la relation, la définition ou la méthode permettant de l atteindre.
BTS électrotechnique 1 ère année - Sciences physiques appliquées Annexe du CH24 : l alternateur synchrone Introduction : La machine synchrone est un convertisseur électromécanique réversible : elle peut fonctionner en générateur (alternateur) et en moteur. C est le fonctionnement en alternateur qui fera l objet de ce chapitre. C est historiquement le fonctionnement prépondérant de cette machine : on trouve l alternateur dans toutes les centrales électriques thermiques, hydrauliques et nucléaires. Les progrès en électronique de puissance ont ensuite permis le développement d applications du moteur synchrone. Les premières rames du métro de Lille en 1983 (VAL 206) étaient équipées de moteur à courant continu. En 1999, sont apparues de nouvelles rames plus modernes (VAL 208) équipées de machines synchrones. L étude du fonctionnement moteur sera étudié dans le module «motorisation électrique» (semestre 3). 1. Qu est-ce qu un champ tournant? Un champ tournant est un champ magnétique dont le vecteur représentatif B est de norme constante et tournant à vitesse constante. Pour mettre en évidence la présence d un champ tournant, il suffit d y placer une aiguille aimantée qui tournera à la même vitesse que celui-ci. Le moyen le plus simple pour obtenir un champ tournant est de faire pivoter sur lui-même un aimant : 2. Quels sont la constitution et le rôle du rotor d un alternateur synchrone? Le rotor est constitué d un aimant pour les machines de faible puissance ou d un électroaimant (bobinage autour d un matériau ferromagnétique) alimenté en continu pour les autres. Le rôle du rotor est donc de créer un champ magnétique d intensité constante. Dans le fonctionnement en alternateur, le rotor est entraîné par un dispositif annexe dont il reçoit de l énergie mécanique : cela peut-être une turbine, une éolienne, un moteur thermique (groupe électrogène), Le champ magnétique ainsi crée est alors tournant. 3. Quels sont les différents types de rotor bobinés? Il existe deux familles de rotors bobinés : Les rotors à pôles lisses : dans l industrie on trouvera ce type de rotor dans les alternateurs des centrales thermiques et nucléaires, entraînés par des turbines à vapeur à grande vitesse (jusqu à 3000 tr/min)
Les rotors à pôles saillants : ce sont les rotors des alternateurs des centrales hydrauliques entraînés par des turbines à eau à plus petite vitesse. Ils fournissent moins de puissance mais sont plus facile à fabriquer. C est ce type de rotor que l on trouvera dans les machines de moyenne puissance (groupe électrogène, ) 4. Qu est-ce que le nombre p? C est le nombre de paires de pôles. Les rotors les plus simples comprennent une paire de pôle : un pôle nord et un pôle sud (machine bipolaire). Ce nombre p est généralement supérieur à 1 : sur les représentations ci-dessus, le rotor à pôles lisses comprend 2 paires de pôles (machine tétrapolaire) tandis que la machine à pôles saillants en comporte 3 (machine hexapolaire) 5. Comment alimente-t-on les rotors bobinés? Pour les rotors à électroaimant, l alimentation des bobinages du rotor peut se faire : par une source de tension continue annexe ; par auto-excitation : un montage redresseur commandé utilise la tension crée par l alternateur pour alimenter les bobinages du rotor ; par une génératrice à courant continu dont le rotor est placé sur le même arbre que celui de l alternateur. L alimentation se fait généralement par le biais d un système balais collecteur entre les alimentations (fixes) et les bobinages du rotor (tournant) : le contact électrique se fait par frottement, ce qui provoque l usure des balais qui doivent être périodiquement changés. Pour les alternateurs très puissants qui nécessitent des courants d excitation pouvant atteindre plusieurs milliers d ampères, il existe des systèmes d excitation sans balai. Ces systèmes d alimentation comprennent un alternateur à inducteur fixe et induit tournant sur le même arbre que le rotor de la MS. 6. Quelle est la constitution et le rôle du stator d un alternateur synchrone? Si le rotor est bipolaire (p=1), il suffit de placer au stator 3 bobines décalées de 120 pour obtenir un réseau de tensions triphasées. Dans les machines synchrones, les conducteurs de l induit, placés dans des encoches au stator, sont groupés pour former ces 3 bobines. Ces bobines peuvent alors être couplées en étoile ou en triangle. Dans les machines à p>1, il y a p jeux de 3 bobines décalées entre elles de 120 p. Remarque : dans un alternateur monophasé, les conducteurs sont placés de manière diamétralement opposée au stator pour former une seule bobine.
7. Quelles sont les caractéristiques de la f.e.m. produite par un alternateur synchrone? Les N conducteurs formant une phase du stator, sont soumis à un champ magnétique variable (champ tournant). Selon la loi de Faraday, il apparaît aux bornes de cette phase une f.e.m. proportionnelle à la variation de flux. On montre que pour cette f.e.m. créée : la fréquence a pour expression : f = p 60 n [Hz] [tr/min] Avec : n vitesse de variation du rotor ; p nombre de paires de pôles. La valeur efficace E (entre phase et neutre) a pour expression : E = K p NfΦ [V] [Hz] [Wb] Avec : K p coefficient de Kapp qui dépend de la machine ; N nombre de conducteurs par phase ; f fréquence de la f.e.m. créée ; Φ flux maximum sous 1 pôle. Remarque : si la vitesse est exprimée en tr/s, l expression de la fréquence devient f=pn.