CHAPITRE 8 Machines Synchrone

7/30/2019 CHAPITRE 8 Machines Synchrone

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C. S. F. M. I EL-OUARDIA Mr CHAKROUN N. 16/03/2008 CH 8 Page 75

M A C H I N E S Y N C H R O N E

I/ CONSTITUTION

I-1/ Rotor = inducteur

Il est constitu dun enroulement parcouru par un courant dexcitationIe continu crant

un champ magntique deux p polaire. Il possde donc p paires de ples .

Remarques : Il faut apporter le courant linducteur par lintermdiaire de bagues et de balais.

Le rotor peut tre constitu par un aimant permanent.

I-2/ Stator = induit

Les enroulements du stator sont le sige de courants alternatifs monophass ou triphass. Ilpossde le mme nombre de paires p de ples.

I-3/ Champ tournant

Les courants alternatifs dans le stator crent un champ magntique tournant la pulsation :

pS

= ou

p

fn

S=

Avec : S : vitesse de rotation du champ tournant en rad.s-1 ;

: pulsation des courants alternatifs en rad.s-1

. = 2..f;

nS : vitesse de rotation du champs tournant en trs.s-1

;

f: frquence des courants alternatifs en Hz ;

p : nombre de paires de ples.

I-4/ Synchronisme

Le champ tournant du stator accroche le champ inducteur solidaire du rotor.

Le rotor ne peut donc tourner qu la vitesse de synchronisme S.

I-5/ Schmas

Rpartition du champ magntique dans lentrefer dune machine synchrone.

Remarque :

Un champ magntique toujours deux ples, un nord et un sud. Cest pourquoi on parle enterme de paire de ples.

Bipolaire (p=1) Ttrapolaire ou quadripolaire (p = 2)


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Reprsentation de deux types de machines synchrones.

II/ SYMBOLES

Machine monophase Machine triphase

III/ F.E.M. INDUITEUn enroulement de linduit (stator) soumis au champ magntique tournant de lentrefer est

le sige dune f..m. e(t) de valeur efficace E.

SS nKpnKNfKNE === ' Finalement SnKE = '

Avec : E : f..m. induit (V)K: coefficient de Kapp (caractristique de la machine)

N: nombre de conducteurs dune phase de la machine (1spire =2conducteurs): flux maximum travers un enroulement (Wb)

f: frquence du courant statorique (Hz)p : nombre de paires de ples

nS : vitesse de rotation (trs.s -1)K=KNp : constante globale (caractristique du moteur)

Remarques : Les enroulements sont disposs dans le stator de telle faon que la f..m. e(t) soit le plus

possible de forme sinusodale ;

en triphas le stator comporte trois enroulements ou phases. On obtient trois f..m. e1(t) e2(t)

et e3(t) de mme valeur efficace E et dphases de 2/3

IV/ MODES DE FONCTIONNEMENTLa machine synchrone est rversible.

IV-1/ Fonctionnement en moteur

Le champ tournant du stator accroche le champ li au rotor la vitesse S= /p.

IV-2/ Fonctionnement en alternateur (gnratrice)

Le rotor et son champ sont entrans par une turbine. Les bobines de linduit sont alors le

Machine ples saillantsMachine ples lisses


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sige de f..m. alternative de pulsation=p*S

V/ REACTION MAGNETIQUE DINDUITEn charge, le courant dans linduit cre un champ magntique qui modifie les

caractristiques de la machine. Cest ce que lon nomme la raction magntique dinduit.

VI/ MODELE EQUIVALENT DUN ENROULEMENT

VI-1/ Schma dans le cas de lalternateur

E : f..m. vide (V)

V: tension aux bornes dun enroulement de la machine (V)

R : rsistance de lenroulement ()X : ractance synchrone ()

Remarques : linductance L du schma tient compte de linductance relle de lenroulement et de la

raction magntique dinduit ;

le courant est orient en convention gnrateur. linducteur est quivalent une rsistance. Toute lnergie absorbe linducteur est perdue

par effet joule :

VI-2/ Loi des mailles

Loi des mailles avec les grandeurs instantanes :RX uuve ++= soit iR

dt

diLve ++= :

Loi des mailles avec les grandeurs vectorielles :RX

UUVE ++= avec : ( ),VV

( )2/, +ILUX

et ( )0,RIU

VI-3/ Diagrammes de Fresnel

trs souventR.Iest nglig ;

en traant le diagramme lchelle, il est possible den dduirecertaines grandeurs ;

si la charge est rsistive = 0.

Le diagramme ci-dessus est en fait le plus simple pour une machine ples lisses et non

sature.

Il peut tre utile de connatre deux angles :

le dphasage entre le courant et la tension. et I varient enfonction de la consommation ;


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le dcalage interne entre V et E.

VI-4/ Commentaires : alternateur coupl au rseauPour un alternateur coupl au rseau, V est impos 220 V et 50 Hz.Les grandeurs variables du rseau sont le courant I et le dphasage .

Observons lallure du diagramme de Fresnel pour la variation de ces deux grandeurs :

On constate que pour ces deux situations la f..m. E doit varier.

E est donne par la relation :SnKE = '

On constate que le flux est le seul terme pouvant tre modifi par lintermdiaire du

courant dexcitationIe.

Consquence :S : pulsation de rotation en rad.s-1

nS : vitesse en trs.s-1

TM : couple utile sur larbre en N.m

VI-5/ Caractristique vide dune machine synchrone

Le point de fonctionnement P se trouve gnralement entre les

points A et B.Sous le point A, la machine serait sous exploite.

Au-dessus du point B, une forte augmentation de Ie ne produit

quune faible augmentation de Ev. Lasservissement devientimpossible.

VII/ BILAN DES PUISSANCES DUN ALTERNATEUR

VII-1/ Puissance absorbe

La turbine, ou le moteur essence pour un groupe

lectrogne, entrane larbre de lalternateur. La puissance

absorbe est mcanique.S : pulsation de rotation en rad.s

-1

nS : vitesse en trs.s-1TM : couple utile sur larbre en N.m

Diagrammes superposs pour deux

valeurs du courantDiagrammes superposs pour

deux valeurs du dphasage


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Si lalternateur nest pas auto-excit il faut encore

tenir compte de lnergie lectrique absorbe par

lexcitation (rotor).

VII-2/ Puissance utile

En triphas avec une charge quilibre de facteur depuissance cos

VII-3/ Bilan des pertes

Pertes par effet joule dans linducteur :

Pertes par effet joule dans linduit : O R est la rsistance vue entre deux

bornes de lalternateur. Ces pertes dpendent de la charge.

Pertes dites collectives pc : pertes mcaniques et pertes fer qui ne dpendent pas de la charge.

Remarque :comme les pertes mcaniques et les pertes fer dpendent de la frquence et de la tension U,

elles sont gnralement constantes (50 Hz - 220V).

VII-4/ Rendement

Ou

VIII/ COMPLEMENTS SUR LE MOTEUR SYNCHRONE

VIII-1/ Avantages

La machine synchrone est plus facile raliser et plus robuste que le moteur courant

continu. Son rendement est proche de 99%.

On peut rgler son facteur de puissance cos en modifiant le courant dexcitationIe.

VIII-2 Inconvnients

Un moteur auxiliaire de dmarrage est souvent ncessaire.

Il faut une excitation, cest--dire une deuxime source dnergie.Si le couple rsistant dpasse une certaine limite, le moteur dcroche et sarrte.

VIII-3/ Utilisations

VIII-3-1/ Moteurs Ils sont utiliss en forte puissance (1 10 MW - compresseur de pompe, concasseur);

toutefois pour faire varier la vitesse, il faut faire varier la frquence des courants

statoriques. Il a donc fallu attendre le dveloppement de llectronique de puissance

pour commander des moteurs auto-synchrones ou synchrones auto-pilots (T.G.V.

Atlantique - 1981).

Dans le domaine des faibles puissances, les rotors sont aimants permanents. Lintrtde ces moteurs rside dans la rgularit de la vitesse de rotation (tourne-disque,


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appareil enregistreur, programmateur, servomoteur).

Le moteur synchrone peut galement tre utilis comme source de puissance ractive

Q pour relever le facteur de puissance cos dune installation lectrique.

VIII-3-2/ AlternateursIls fournissent une partie de lnergie du rseau STEG.

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