Chapire B.2.4 Machine synchrone 1 ) Organisaion simplifiée Une machine synchrone es un converisseur réversible, elle peu foncionner son générarice (alernaeur), le cas le plus fréquen, son moeur. 1.1) Symboles normalisés des machines synchrones Monophasé MS Indui Saor Induceur Roor Roue polaire Triphasé MS 3 Elles possèden deux paries principales: - linduceur consiué délecroaimans parcourus par un couran coninu ou daimans permanens, siués sur le roor. - lindui, poré par le saor, parcouru par des courans alernaifs (mono ou riphasés ). 1.2) Induceur Il crée dans lenrefer de la machine un champ ournan. Il en exise deux ypes: - roor à pôles lisses, il possède une grande robusesse mécanique, il es adopé pour les alernaeurs de fores puissances, don la fréquence de roaion es élevée (alernaeur de cenrale nucléaire). - roor à pôles saillans (uilisé pour des machines ournan à faibles viesses). Il es plus simple à consruire, uilisé pour les groupes élecrogènes. 1.3) Indui Pour une machine synchrone riphasée, il es consiué par rois groupes de conduceurs logés dans les encoches du saor, forman rois circuis décalés dun angle convenable les uns par rappor aux aures. Ils son parcourus par rois courans qui formen un sysème riphasé. Bernaud J 1/7
Chapire B.2.4 Machine synchrone 1.4) Exciaion des machines synchrones Linduceur, quand il nes pas à aimans permanens, doi-êre alimené par un couran coninu. Cela implique, soi une source exérieure au roor, donc un sysème de bagues e de balais, ou soi une source sur le roor à laide dun alernaeur auxiliaire à induceur fixe e indui ournan, don les courans son redressés par un pon de diodes pour alimener la roue polaire. 2 ) F.é.m dun alernaeur à roor bipolaire 2.1) F.é.m dans une spire S N Θ = Ω Le flux uile maximal embrassé par la spire es noéφ. La spire embrasse un flux ϕ, sachan que le roor ourne à la viesse Ω = 2 π n, ayan pour expression ϕ = Φ cos( Ω ). Le flux varie, il y a créaion dune f.é.m induie e 1 dans la spire. avec e dϕ = = Φ ˆ Ω sin( Ω) E1 2 sin( ω). La f.é.m induie es sinusoïdale d 1 = Φ Ω 2π E1 = = nφ = 444, n Φ = 444, f Φ 2 2 ω = 2π f = Ω = 2π n f = n 2.2) F.é.m dans un enroulemen de N conduceurs 2.2.1) Enroulemen concenré dans deux encoches e S Ω N N/2 conduceurs Les f.é.m induies dans les N/2 spires, qui son en série, son donc en phase e égale à e 1 ; en admean que les N/2 spires soien ideniques e occupen la même posiion sur le saor. La f.é.m résulane N N e = e 1 E = E 1 = 222, N f Φ 2 2 e 1 e 1 Bernaud J 2/7
Chapire B.2.4 Machine synchrone 2.2.2) Enroulemen répari sur plusieurs encoches Ces la disposiion adopée sur lalernaeur réel. Pour obenir une f.é.m suffisammen grande, il fau un nombre N imporan de conduceurs, doù la difficulé pour les placer dans deux encoches. Les spires, forman lenroulemen, son en série mais décalées dun angle θ. La f.é.m résulane e es alors égale à la somme des f.é.m e 1 déphasées les unes par rappor aux aures. θ E < E E < 222, N f Φ S Ω N 2.3) Conclusion pour un alernaeur ayan p paires de pôles On a alors f = pn E < E Posons alors E < 222, N f Φ E < 222, N pn Φ E = K p n N Φ Avec K : coefficien de Kapp, p : nombre de paire de pôles, n : fréquence de roaion en r.s -1, N : nombre de conduceurs correspondan à une phase, Φ : flux uile maximal embrassé par une spire. 2.4) Alernaeur riphasé Si on couple les enroulemens en éoile, on a Si on couple les enroulemens en riangle, on a Epn = K p n N Φ Epp = K p n N Φ Bernaud J 3/7
Chapire B.2.4 Machine synchrone 3 ) Caracérisiques dun alernaeur 3.1) A vide E v ( ) à fréquence de roaion consane (E pn ) v ( ) v j GS 3 n u e n=c ( ) s E = K p n N Φ v ( Epn ) v = K Φ 3.2) En charge à fréquence e exciaion consanes E pn n=c se e = c se Charge équilibrée réglable j GS 3 n u e ϕ j/epn ϕ<0 (E pn ) v ϕ>0 J ϕ=0 Réacion magnéique dindui: Le saor, don les enroulemens son mainenan raversés par des courans induis riphasés, créen un champ magnéique ournan à la fréquence de synchronisme. Si le circui magnéique nes pas sauré, ce champ se compose à chaque insan vecoriellemen à celui du roor, qui ourne à la même viesse. Le champ résulan, donc le flux es modifié, ce qunraîne une modificaion de la f.é.m induie. 4 ) Modèle simplifié pour un enroulemen dune phase dune machine synchrone On considérera que le saor es couplé en éoile. X R j : f.é.m à vide die synchrone ( elle dépend d, donc du flux embrassé par un enroulemen, créé par le champ ournan v provenan de la roue polaire). X = L ω : réacance synchrone, elle ien compe du flux embrassé par un enroulemen e es due au champ magnéique créé par ous les courans, qui circulen dans ous les enroulemens de lindui. R : résisance de lenroulemen j : inensié du couran dans lenroulemen. Bernaud J 4/7
Chapire B.2.4 Machine synchrone Daprès la loi de la maille, on peu écrire v = e L dj pn Rj d V = Epn jxj RJ V = E U U pn L R U L Diagramme synchrone dune phase: (Diagramme de Fresnel) θ Epn = V + UL + UR, j sera pris comme référence, le circui V éan série. θ représene langle de décalage inerne, cela correspond à la ϕ E pn variaion de la posiion du champ magnéique résulan enre la marche à vide e la marche en charge. U R J O.P 5 ) Déerminaion des élémens du modèle équivalen 5.1) Alernaeur non sauré Faire un essai à vide avec n = c se. ( E pn ) v Pour fixé, on déermine la valeur de (E pn ) v. Faire le relevé de la caracérisique de cour-circui J cc ( ) On obien Epn = R Jcc + jxjcc jxj X cc R j cc Donc pour fixé, on déermine E pn e J cc, par conséquen on rouve X = E pn / J cc = (E pn ) v / J cc. R se mesuran par une méhode volampère mérique. 5.2) Alernaeur peu sauré Léa magnéique dun alernaeur, débian sur une charge équilibrée, dépend de linensié dexciaion, de linensié J du couran débié e du déphasage de j par rappor à v. Pour un même, E pn (, J, ϕ ) = (E pn ) v ( ), on a E pn > (E pn ) v. X par conre à la même valeur que dans le cas précéden. Bernaud J 5/7
Chapire B.2.4 Machine synchrone 5.3) Alernaeur sauré Les valeurs de E pn e X dépenden du poin de foncionnemen de lalernaeur. Le modèle es valable pour chaque régime de foncionnemen, il fau déerminer les valeurs de E pn e X, qui conviennen à chaque poin de foncionnemen. 6 ) Bilan de puissance Puissance absorbée: P = P = T Ω = 2π n T a méca méca méca Si lalernaeur nes pas auo-excié ou lorsque linduceur nes pas consiué daimans permanens, il fau enir compe de la source dénergie nécessaire. Pa = Pmé ca+ ue ie Puissance uile: Peres: En monophasé : Pu = UIcosϕ En riphasé: P UI 3 cosϕ u = - peres dies consanes P c consiuées par les peres mécaniques dépendan de n e par les peres dans le fer dépendan de la fréquence e du flux dans la machine. Pour une machine synchrone uilisée à fréquence e ension consane, elles varien rès peu enre le foncionnemen à vide e en charge. On peu les déerminer à laide dun essai à vide. - peres par effe Joule dans linduceur PJ = ue i e e dans lindun monophasé PJ = r I 2 machine. Rendemen: P = P + P + P + P e Pu η = P a u c J J 7 ) Moeur synchrone riphasé a en riphasé PJ = 3 2 ri 2 avec r résisance mesurée enre deux bornes de phases de la 7.1) Réversibilié de la machine synchrone La machine synchrone es réversible, elle peu foncionner en moeur e enraîner une charge à une viesse Ω imposée par la fréquence des courans sinusoïdaux, qui alimenen lindui. Lalernaeur, couplé sur le réseau de disribuion, foncionne à vide. Si lon désaccouple le moeur denraînemen du roor, celui-ci coninue à ourner, au Bernaud J 6/7
Chapire B.2.4 Machine synchrone synchronisme, sous lacion du champ magnéique ournan crée par le saor riphasé. La machine foncionne mainenan de manière réversible en moeur synchrone. La f.é.m devien f.c.é.m e garde la même expression. 7.2) Caracérisique de foncionnemen Soi le modèle dune phase du moeur: j X On néglige la résisance R de lenroulemen. Le v moeur absorbe la puissance Pa = 3JV cosϕ On a alorspa = 3JV cosϕ = T em Ω, si on néglige les peres. VJ Le couple élecromagnéique es égal Tem = 3 cosϕ ω 2πf avecω = = Ω p p Le moeur synchrone ne peu démarrer seul en charge, au démarrage T em = 0 Nm. 7.3) Foncionnemen en charge A exciaion consane, si le couple résisan es inférieur au couple maximal du moeur; une légère augmenaion du couple résisan enraîne une augmenaion du couple élecromagnéique, le foncionnemen es sable. Si le couple résisan es supérieur au couple moeur, le moeur cale, ne produi plus de f.c.é.m e une surinensié risque de déériorer la machine. Cela correspond au couple de décrochage. En faisan varier lexciaion, on consae que le cosϕ du moeur varie. On uilise cee propriéé pour ajuser le faceur de puissance dune insallaion. La machine es alors appelée compensaeur synchrone. On peu alimener un moeur synchrone par un onduleur pour faire varier sa viesse. Pour démarrer ce moeur e à cause de linerie du roor, le moeur vibre, pour laccrocher à la viesse synchrone, on uilise un moeur auxiliaire ( souven un moeur asynchrone). Bernaud J 7/7