Machine synchrone
1 Constitution :
1.1 Rotor = inducteur :
Il est constitué d’un enroulement parcouru par un courant d’excitation I
e
continu créant un
champ magnétique 2p polaire. Il possède donc p paires de pôles.
Remarques :
1.2 Stator = induit :
Les enroulements du stator sont le siège de courants alternatifs monophasés ou triphasés.
Il possède le même nombre de paires p de pôles.
1.3 Champ tournant :
Les courants alternatifs dans le stator créent un champ magnétique tournant à la pulsation :
1.4 Synchronisme :
Le champ tournant du stator accroche le champ inducteur solidaire du rotor.
Le rotor ne peut donc tourner qu’à la vitesse de synchronisme ΩS
.
1.5 Schémas :
Répartition du champ magnétique dans l’entrefer d’une machine synchrone.
• Représentation de deux types de machines synchrones.
2 Symboles :
E = KNΦf = KNΦpnS = K' ΦnS
Remarques :
• les enroulements sont disposés dans le stator de telle façon que la f.é.m. e(t) soit le plus
possible de forme sinusoïdale ; • en triphasé le stator comporte trois enroulements ou phases. On obtient trois f.é.m. e1
(t) e2
(t)
et e3
(t) de même valeur efficace E et déphasées de 2π/3.
4 Modes de fonctionnement :
La machine synchrone est réversible
4.1 Fonctionnement en moteur :
Le champ tournant du stator « accroche » le champ lié au rotor à la vitesse ΩS = ω/p.
4.2 Fonctionnement en alternateur (génératrice) :
Le rotor et son champ sont entraînés par une turbine. Les bobines de l’induit sont alors le siège
de f.é.m. alternative de pulsation ω = p.ΩS
.
Rappel : : toute variation de champs magnétique à travers une bobine créée aux bornes de la bobine une f.é.m. induite.
5 Réaction magnétique d’induit :
En charge, le courant dans l’induit crée un champ magnétique qui modifie les caractéristiques de
la machine. C’est ce que l’on nomme la réaction magnétique d’indui
6 Modèle équivalent d’un enroulement :
6.1 Schéma dans le cas de l’alternateur :
Remarques :
• l’inductance L du schéma tient compte de l’inductance réelle de l’enroulement et de la
réaction magnétique d’induit ;
• le courant est orienté en convention générateur.
• l’inducteur est équivalent à une résistance
6.2 Loi des mailles :
Loi des mailles avec les grandeurs instantanées : e = v + uX + ur
soit : e = v + L
di
dt
+ Ri
Loi des mailles avec les grandeurs vectorielles :
r
E =
r
V +
r
U X +
r
U r
avec :
r
V (V, ϕ) ;
r
U X
(LωI, +π / 2) ;
r
U r
(rI, 0)
Loi des mailles avec les grandeurs complexes : E = V + jLωI + RI
6.3 Diagrammes de Fresnel :
Il peut être utile de connaître deux angles :
• le déphasage ϕ entre le courant et la tension. ϕ et I
varient en fonction de la consommation ;
• le décalage interne θ entre V et E
6.4 Commentaires : alternateur couplé au réseau :
Pour un alternateur couplé au réseau, V est imposé à 220 V et ƒ à 50 Hz.
Les grandeurs variables du réseau sont le courant I et le déphasage ϕ.
Observons l’allure du diagramme de Fresnel pour la variation de ces deux grandeurs :
Conséquence :
en utilisation normale, un groupe électrogène doit fournir une tension dont la valeur efficace
est la plus constante possible. La charge pouvant varier dans des proportions importantes, un
dispositif électronique de régulation (asservissement), agissant sur l’intensité du courant
d’excitation, est donc nécessaire
6.5 Caractéristique à vide d’une machine synchrone :
Le point de fonctionnement P se trouve généralement entre
les points A et B.
Sous le point A, la machine serait sous exploitée.
Au-dessus du point B, une forte augmentation de I
e ne
produit qu’une faible augmentation de Ev
. L’asservissement
devient impossible.
7 Bilan des puissances d’un alternateur : 7.1 Puissance absorbée :
La turbine, ou le moteur à essence pour un groupe électrogène, entraîne l’arbre de l’alternateur.
La puissance absorbée est mécanique.
Si l’alternateur n’est pas auto-excité il faut
encore tenir compte de l’énergie électrique
absorbée par l’excitation (rotor) Pa = ΩS
.TM +Ue
I
e = 2πnSTM + Ue
I
e
• 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.
9.3.2 Alternateurs :
Ils fournissent une partie de l’énergie du réseau EDF. On les trouve dans les barrages sur les
fleuves ou les lacs.
Exemple : centrale de Rhinau sur le Rhin.
La centrale comporte quatre alternateurs de 42000 kVA chacun : vitesse, 75 tr.mn-1 avec turbines
Kaplan à axe vertical, débit 350 m
3
.s-1
.
Exemple : centrale de Grand-Maison en Isère
Vitesse de synchronisme : 428,6 tr.mn-1
Puissance active nominale : 153 MW
Tension nominale : 15,5 kV
Intensité nominale : 6333 A
Masse du rotor : 235 t
Masse du stator : 166 t
Excitation statique par soutirage au stator
Puissance d’excitation : 323 kW
Rendement en régime nominal : 98,5%
Extraits de Electrosystème - H. Ney - 1
res STI - éd Nathan Technique 1996,
10 Vocabulaire :
synchrone
nombre de paires de pôles
champ tournant
vitesse de synchronisme
entrefer
pôles lisses
pôles saillants
f.é.m. induite
coefficient de Kapp
réversible
alternateur
alternateur auto-excité
réaction magnétique d’induit
phase de la machine .