LA MACHINE SYNCHRONE -...
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FORMATION CONTINUE – TECHNICIENS SUPERIEURS – INGENIEURS ELECTROTECHNICIENS Cours préparé par Bapio BAYALA LA MACHINE SYNCHRONE
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FORMATION CONTINUE – TECHNICIENS SUPERIEURS – INGENIEURS ELECTROTECHNICIENS
Cours préparé par Bapio BAYALA
LA MACHINE SYNCHRONE
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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
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A / PHENOMENES D’INDUCTION
Action mutuelle de deux aimants
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.
N S S N N S N S
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
S
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2) INDUCTION MAGNETIQUE
+
-
P P’
S N
Nord magnétique terrestre
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 ?
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3) Induction électromagnétique
N
S
mA
+
mA
-
A B
R
+
mA
- 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)
Pendant le déplacement de l’aimant, un
courant prend naissance dans la bobine
Ce courant est appelé : COURANT INDUIT
LE MEME RESULTAT PEUT ETRE OBTENU…
En faisant varier le
courant absorbé par
la bobine A.
En remplaçant l’aimant
par un électroaimant.
La bobine qui produit le flux est appelée : INDUCTEUR
La bobine dans laquelle prend naissance le courant induit est appelée : INDUIT
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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 ?
S
aimant
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 +
- + + -
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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.
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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 15 000 volts.
Carcasse ou bâti Circuit magnétique
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.
DESCRIPTION DES PARTIES ESSENTIELLES
D’UN ALTERNATEUR
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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
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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 kf kb f N Φ
Kf : coefficient de forme (le champ n’est pas sinusoïdal Kf peut être >1)
Kb : coefficient de bobinage (Kb <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 = 2,22kfkb : coefficient de Kapp de la machine synchrone (1,6 à 2,9)
E = KNfΦ = KNpnΦ
ETUDE GENERALE D’UN ALTERNATEUR
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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.
Rhex
Iex Uex G V Ev
A 1~ Ev Zone saturée
Zone non saturée
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 : Ev = Er + k Iex
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.
Ev = f.e.m. à vide ; U = tension en charge ΔU = Ev - U
N = 1500t/mn I = 0 A
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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 Ie Icc
+ + - -
G
3 ~
G
3 ~
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Le schéma équivalent en court - circuit devient :
R X
Icc RIcc LwIcc
E
Pour le même courant d’excitation on relève E1 et Icc1 ;l’impédance est donc :
Z = √R² + ( LwI)² =AC/AB= E1/ Icc1 Si R négligée alors Z = Lw
Valeur relative de X=Lw
Impédance de base par phase: Zn=V²/Sn
La réactance synchrone peut s'exprimer en % de l'impédance de base ou en valeur relative (p,u)
X (p,u) = X / Zn
Lw Icc Ev
E Icc N = 1500t/mn I = 0 A E1
Icc1
Lw Er
0 Iex
Remarque :LW est constant dans la zone non saturée et décroît dans la zone saturée
R = résistance d’une phase
X = Lw = réactance synchrone
Z = R + jLw
A
B
C
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3) Schéma équivalent d’une phase de l’alternateur
R X
R = résistance d’une phase
RI LwI V
I X = Lw = réactance synchrone
Z () = impédance de la charge
E Z ()
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)
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.
RI
LwI
Arc de
cercle de
rayon E V
E
I (A)
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N tr/mn et
Iex constant
Cos φ inductif
Cos φ résistif
Cos φ capacitif
400 V
U (V)
380V
0
390
V
I (A)
In
400 V
4) Caractéristiques en charge
Rhex
+ Iex A I G Ev
Uex 1~ Z(φ) V - A
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.
NB : En pratique le régulateur de tension agit sur le courant d’excitation pour maintenir la
tension à peu près constante.
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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
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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
θ I (A)
V
Charge inductive
E LWI
θ
φ V
I (A)
Charge capacitive
E LWI I φ
θ
V
L’alternateur produit uniquement de la puissance active
L’alternateur produit de la puissance
active et de la puissance réactive L’alternateur est surexcité
L’alternateur produit de la puissance active et absorbe de la puissance réactive
L’alternateur est sous excité
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Diagramme P Q S
S
Q
φ
P
Etant donné que seule la puissance active est prise en compte pour la facturation aux
abonnés, les alternateurs devront fonctionner avec un bon facteur de puissance.
Soit un alternateur de 9,9 MVA ;5 500V ;50Hz
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 celui-
ci sera surchargé car : S’= 9,9²+5,94² =11,545 MVA ce qui est supérieur à Sn=9,9MVA
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
S = P + Q
S = P + jQ
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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 φv < 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 iex 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 ).
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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
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
mJ
m α I
mJo Øu
Fem Ev
Øt induit
Fem en charge
Ec = U + RI
Øf
Induit
Inducteur
αI
Jo=Jr J=Ie
φ
Er
U
λI
RI 0
Ev
Réaction d'induit
I
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Caractéristique à vide
Diagramme de Potier
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
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 ;
Autre forme du diagramme obtenu
en faisant tourner le diagramme des
intensités de π/2 αI
Jo=Jr J=Ie
φ
Er
U LwI RI
0
αI
Jo J
φ
Er
U
LwI
RI 0
Jcc
E ou U
J ou Iex
o
I=0
Caractéristique en débit réactif
E ou U
J ou Iex o s
I = Constante
Jcc
Caractéristique en court-circuit
J ou Iex
Icc
s o
I
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- 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
Les vecteurs étant en phase ,on peut établir les relations suivantes :
Résistance des enroulements non nulle
φ est proche de 90°
Résistance des enroulements négligée
φ = π/2
αI
Jo
J
φ
E
v
U
LwI RI
0
I
Ev = U + λI
J = Jo + αI
Ev : 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 Jo :courant d’excitation nécessaire pour obtenir à vide la fem Ev = U + λI αI : courant d’excitation complémentaire équivalent de l’induit
αI
Jo J
φ= π/2
E
v
U LwI 0
I
π/2
αI
γ λI
0
U
J ou iex
αI
M
P
N A
B
I
Icc E,U
Jcc
Q
Jo
J
E (J)
U (J) en débit réactif
Icc
S
T
R
MP = RT = λI PN = RS = αI
OS = QN =Jcc
MN = I √( α² + λ² )
tg γ = α / λ
C
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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 court-
circuit 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 Id 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:
iexo = iexcc * Id / Icc
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.
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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
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Pertes joule inducteur
L’inducteur est alimenté en courant continu ;la puissance perdue par effet joule dans le circuit
d’excitation est : Pe = ReIe² = UeIe = Ue²/ Re
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 :
Pjr = 0,8 x 200 x 200 = 32 000 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 : Pjs = r I²
Pour l’ensemble des trois phases : Pjs = 3 rI²
Si R est la résistance mesurée entre deux phases du stator : Pjs = 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.
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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 joule induit
Pertes fer
Pertes mécaniques
Cos = 1
Pertes joule inducteur
cos =0,8
Pertes
(kW)
Puissance apparente
(kVA)
27/53
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
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 W1 = Pm + Pfer ;
- Sans excitation (Ie = 0). Les seules pertes sont de nature mécanique, soit W2 = Pm.
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 Po telle que PO = Pm + Pfer +1,5RaIo²
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 ).
ALTERNATEUR MONOPHASE
P = UI cos
ALTERNATEUR TRIPHASE
P = 3 UI cos
28/53
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
Pja = 1,5 RaI2
(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. W3 = Pm + Pja +Psup
(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,
Pfer : pertes fer,
Pm : pertes mécaniques
Pja : pertes joule induit
Pje : pertes joule circuit d’excitation
ALTERNATEUR MONOPHASE
UIcosφ
η =
UIcosφ+Pfer+Pm+Pja+Pje
ALTERNATEUR TRIPHASE
√3 UIcosφ
η =
√3 UIcosφ+Pfer+Pm+Pja+Pje
29/53
D/ ALTERNATEUR TRIPHASE
1) Constitution
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).
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
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.
V3
V3
V2
30/53
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 V1 - V2 - V3
- 3 tensions composées U1-2 - U2-3 - U3-1
Les tensions composées sont √3 fois plus fortes que les tensions simples : U / V =√3
3
1
4) Impédances internes
SCHEMA EQUIVALENT D’UN ALTERNATEUR TRIPHASE
ALTERNATEUR RECEPTEUR
I1
Rotation X V Z
R
Rotor Z1 1
S N E 0°
+ E -240°
Uex E -120° Z3 3
- R
R X Z2 2
I2 X
I3
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
33/53
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.
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
Collecteur ROTOR (induit)
STATOR (Inducteur)
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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
100V 15 KV
A
152V 15 KV
Iex
M
Diodes
G Ir G
3 ~ 3 ~ Réseau
Diodes 5,5KV / 15 KV
Excitatrice tournantes 6,6 MVA
5,5 KV
5) Vues en coupe
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Trois diodes à anodes filetées
6) Pont redresseur tournant
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
Trois diodes à cathodes filetées
36/53
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
Quand la charge d’un alternateur
Augmente sa vitesse diminue
Sachant que f = p n
Si la vitesse diminue la fréquence
diminue dans les mêmes proportions
FONCTIONNEMENT D’UN ALTERNATEUR
COMMENT MAINTENIR LA TENSION ET LA
FREQUENCE CONSTANTES ?
La tension diminue
Trois causes sont à l’origine de
cette diminution :
-la vitesse E = K Φ N p n
- la chute de tension U = E- ZI
- la réaction d’induit qui diminue
le flux résultant
E = K Φ N p n
37/53
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.
38/53
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.
39/53
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.
40/53
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.
41/53
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.
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 V
se fait l’aiguille à zéro
Tension alternateur = Tension réseau
L’alternateur tourne moins vite : augmenter la vitesse de l’alternateur
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
L’alternateur tourne plus vite : diminuer la vitesse de l’alternateur
42/53
Le fréquencemètre
Deux fréquencemètres permettent Réseau 49 50 51
de mesurer et de comparer les
fréquences du réseau et de l’alternateur.
Alternateur 49 50 51
Montage des équipements de synchronisation
Réseau
Hz V
V
SYNC
Hz V
Excitation + G
- 3
Fonctionnement en parallèle
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.
43/53
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.
Ia1
I
Z ()
P ;Q ;
Ia2 P = P1 + P2
Q = Q1 + Q2
P2 ;Q2 ; 2
Q1
S1
1 P2 P
2 P1
S Q
S2 Q1
Q2
I
Ia2
Ia1
P1 ; Q1 ; 1
G
3
G
3
44/53
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 Sn = √(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.
45/53
LwI
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
La puissance est maximale quand sin θ =1 soit θ = 90°
Au-delà de la puissance maximale , l’alternateur décroche
O
A
C B
Limite de puissance du
moteur d’entraînement Limite de stabilité
Limite du courant rotor
Limite du courant stator
H
P (KW)
Q (KVAR)
I
V
E
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
Pmax = 3VE / Lw
46/53
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.
47/53
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 Iex : 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.
48/53
3. Diagramme bipolaire du moteur synchrone
Le diagramme est dit bipolaire parce qu’il a deux origines A et O fixes:
- Une origine des tensions (A)
- Une origine des courants (O)
Le segment Om est proportionnel à LwIcosφ d'où Om = kPa; Om représente la puissance
active absorbée: LwIcosφ = k VIcosφ donc k= Lw/V
Le segment Om' est proportionnel à LwIsinφ d'où Om' = kQa; Om' représente la puissance
réactive absorbée: LwIsinφ = k VIsinφ donc k= Lw/V
Fonctionnement en moteur (Absorption de puissances active et réactive): Pa>0 et Qa>0
Fonctionnement en compensateur (Absorption de puissance active et fourniture de puissance
réactive; moteur surexcité , I en avance sur V ;φ<0 ): Pa>0 et Q<0
Expression de la puissance active
La puissance est maximale quand sin θ =1 soit θ = 90°
Au-delà de la puissance maximale , le moteur décroche
Absorption de puissance réactive à
faible excitation (capacitif)
Fourniture de puissance réactive
à forte excitation (inductif)
Limite de puissance active
3VE
P = --------sin θ
Lw
V= tension simple
E=FEM simple
θ= angle interne ou angle entre U et E
Lw=réactance synchrone par phase
Pmax = 3VE / Lw
LwI E
V O A
M
θ
I
Q
P
φ
m’
m
I
Q>0 Q<0 φ<0
φ<0
49/53
Expression et graphe du couple moteur
Couple maximal:
La puissance et donc le couple sont proportionnels à la tension d’alimentation
COURBE EN V DE MORDEY
I3
Iex0
Iex0: Courant d’excitation optimal permettant d’ avoir le courant absorbé minimal pour
une charge donnée .En pratique Iex0 varie légèrement pour les différentes valeurs de charge
3V E sin θ
C= ---------------
Lw Ω
V= tension simple
E=FEM simple
θ= angle interne
Lw=réactance synchrone par phase
3V E
Cmax= --------
Lw Ω
Moteur sous - excité :
Il absorbe de la puissance
réactive (déphasage arrière)
Moteur surexcité :
Il fournit de la puissance
réactive (déphasage avant)
Déphasage nul ou cos = 1 Charge nominale
½ Charge
50/53
51/53
MÉTHODE DE RÉSOLUTION
Méthode de Potier
Données
Caractéristique à vide Es (Ie)
Caractéristique en court-circuit Icc (Ie) : un seul point donné suffit
Essai en déwatté ou sur charge inductive V (Ie) :(un seul point suffit): V=...; Ie=...; I=....
Calcul des coefficients de Potier : coefficient d'équivalence α et réactance de fuite λ=Lw
1. Tracer la caractéristique à vide
2. Placer le point N de la caractérisitique en déwatté :V= .......; Ie=.......
3. Placer le point S ,origine de la caractéristique en déwatté V(Ie), comme suit :
- on utilise le courant de charge I constant donné dans l'essai en déwatté pour calculer
l'excitation Jcc=Iecc qu'on aurait en court-cicuit ;Icc(Ie) étant une droite Iecc =Ie x I/Icc
Essai en déwatté ,on a V , I et Ie; Essai en court-circuit, on a Icc et Iecc
Le courant d'excitation correspondant en court-circuit est Iecc =Jcc= Ie x I / Icc
- La longueur OS mesure le courant d’excitation (Jcc=Iexcc) pour lequel la tension est
nulle pour le courant I débité en déwatté: c’est donc l’abscisse du point de la
caractéristique en court-circuit dont l’ordonnée mesure I.
αI
γ λI
0
U
J ou iex
αI
M
P
N A
B
I
Icc E,U
Jcc
Q
Jo
J
E (J)
U (J) en débit réactif à I constant
Icc
S
T
R
MP = RC = λI
PN = RS = αI
OS = QN =Jcc
MN = I √( α² + λ² )
tg γ = α / λ
C
Icc
Point de l'essai en court-circuit
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BIBLIOGRAPHIE
TITRES AUTEURS
ELECTROTECHNIQUE
THEODORE WILDI
MACHINES ELECTRIQUES
J. NIARD
MACHINES ELECTRIQUES ET
ELECTRONIQUE DE PUISSANCE
Collection HEBERT
ELECTROTECHNIQUE
A l’usage des ingénieurs T2
A. Fouillé
ELECTRICITE INDUSTRIELLE
L .PASTOURIAUX
Documents : alternateur, transformateur,
production, transport , distribution,
automatismes
Hydro Québec
Documents :alternateur, transformateur,
production, transport
EDF
Documents de constructeurs
Leroy SOMER.
GUIDE DU TECHNICIEN EN
ELECTROTECHNIQUE
J.C .MAUCLERC
HACHETTE TECHNIQUE
