Leçons de niveau 15

Machine tournante à courant alternatif/Machine synchrone

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Machine synchrone
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Chapitre no 3
Leçon : Machine tournante à courant alternatif
Chap. préc. :Machine asynchrone
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Machine tournante à courant alternatif/Machine synchrone
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Généralités[modifier | modifier le wikicode]

La machine synchrone est un machine réversible de conversion électro-mécanique. On la rencontre dans de nombreux dispositifs de conversion d'énergie aussi bien en:

  • production d'énergie électrique à partir d'énergie mécanique où elle porte le nom de génératrice synchrone lorsque la vitesse est variable (exemple éolien) ou d'alternateur lorsque sa vitesse est fixe (exemple centrale thermique),
  • production d'énergie mécanique à partir d'énergie électrique où elle porte le nom de moteur synchrone (exemple chaîne de traction des TGV).

Avec le développement de l'électronique de puissance, le moteur synchrone vient à remplacer de plus en plus fréquemment le moteur à courant continu. Ne possédant pas de dispositif balais-collecteur, dont la fonction est déplacée dans l'électronique de puissance, on élimine une problématique de maintenance et de vitesse limite.

Exemple de l'interieur d'une machine synchrone

Comme dans tous les convertisseurs électro-mécaniques, c’est l'interaction de 2 champs magnétiques qui est l'origine de la production d'énergie mécanique ou électrique selon le cas.

Wikipédia possède un article à propos de « Machine synchrone ».

Constitution[modifier | modifier le wikicode]

Disposition générale[modifier | modifier le wikicode]

La machine synchrone est formée d'un stator (fixe) et d'un rotor (mobile).

  • Le stator est de la même nature que celui de la machine asynchrone. Il est formé d'un empilage de tôles ferromagnétiques encochées qui supporte un bobinage triphasé dont la géométrie angulaire est définie par le nombre de paires de pôles. C’est dans ce bobinage que circulent les courants.
  • Le rotor, appelé aussi roue polaire dans le cas de l'alternateur, possède une structure magnétique à p paires de pôles. Cette structure magnétique peut-être réalisée à l'aide d'aimants ou de bobinages alimentés en courant continu

Nombres de pôles d'une machine[modifier | modifier le wikicode]


Symboles[modifier | modifier le wikicode]

Machine synchrone symboles.png

Principe de fonctionnement en générateur[modifier | modifier le wikicode]

Création des f.e.m.[modifier | modifier le wikicode]

Quand les pôles Nord du rotor sont face aux bobines de la phase 1 du stator, le flux à travers cette phase est maximum.

tour plus tard, les pôles Sud sont face à ces bobines et le flux à travers cette phase est alors minimum. Etc...

Le flux à travers une phase est donc alternatif de fréquence f.

Si N est la vitesse en tour par seconde du rotor, la période T du flux à travers une phase est égale à la durée de tour. D'où :





La f.e.m. induite dans cette phase, , est alternative et de même fréquence.

Les enroulements des phases 2 et 3 du stator se comportent de façon identique à celui de la phase 1 mais décalées de et . Le flux y est maximum ou plus tard. L'écart entre les f.e.m. induite est de .

On obtient donc un système triphasé équilibré de f.e.m. de fréquence f.

Création du couple électromagnétique[modifier | modifier le wikicode]

Lorsque les 3 phases sont reliées à un récepteur, elles débitent dans celui-ci un système triphasé de courants. Ils créent donc un champ magnétique de vitesse angulaire :



Début d’un principe


Fin du principe


Remarques :

  • pour un alternateur : le couple électromagnétique est un couple de freinage.
  • pour un moteur, ce couple est moteur.
  • il faudra faire attention dans les bilans de puissance à savoir ce que fournit la puissance :

Force électromotrice[modifier | modifier le wikicode]

F.é.m. induite par une spire[modifier | modifier le wikicode]

Fém spire moteur synchrone.png

Considérons une spire d'aire S dont la normale fait un angle avec le champ magnétique créé par un aimant tournant à la vitesse angulaire constante.

Choisissons pour origine des temps l'instant où l'angle  : le flux à travers la spire est alors maximal :

Soit pendant la durée , le vecteur tourne d'un angle . Le flux à l'instant t vaut : .

Comme le champ tourne, le flux varie et une f.é.m. induite apparaît aux bornes de la spire : .

Sa valeur efficace est : .


Cas de l'alternateur monophasé[modifier | modifier le wikicode]

La roue polaire développe 2p pôles du champ inducteur. La période de la f.é.m. induite dans une spire est divisée par p. Donc tout se passe comme si l'aimant tournait à la vitesse . D'où la valeur efficace de la f.é.m. induite dans une spire vaut :

Comme le stator comporte N spires, la f.é.m. totale aux bornes de l'enroulement stator vaut :



Cas de l'alternateur triphasé[modifier | modifier le wikicode]

On se contentera de retenir la relation suivante :




K : coefficient de Kapp (coefficient de raccourcissement, pas diamétral,...)

Fonctionnement de la MS[modifier | modifier le wikicode]

Caractéristique d'un alternateur isolé[modifier | modifier le wikicode]

À vide, le stator couplé en étoile, l'induit ne débite aucun courant. Le rotor est entraîné à la vitesse nominale n constante. On relève :

Synchronous motor graph.svg

Cette caractéristique est analogue à celle d'une MCC (Machine à Courant Continu) et on constate bien la courbe d'aimantation du circuit magnétique de la machine :

  • La zone utile est au voisinage du coude de saturation
  • Parfois un phénomène d'hystérésis dédouble la caractéristique

Diagramme à réactance synchrone[modifier | modifier le wikicode]

La façon la plus simple de rendre compte du fonctionnement en charge d'un générateur alternatif est de l'assimiler à une source de f.é.m. E ayant une impédance interne R+jX.


Circuit RL complexe.png
Diagramme vectoriel complexe RL pour machine synchrone.png


 : f.é.m. à vide

 : tension aux bornes d'un enroulement de la machine

 : résistance de l'enroulement

 : réactance synchrone (Ici X = L)

 : angle interne


Ce schéma équivalent et le diagramme vectoriel permettent de passer du régime aux bornes (, , ) à la f.é.m. que doit créer le flux inducteur (rotor).

La loi des mailles nous donne :



Remarques :

  • Le régime aux bornes de la charge dépend de la charge alimentée. Sur la figure précédente, elle est inductive car elle absorbe un courant déphasé en arrière de la tension.
  • doit être faible puisque donne les pertes joules dans l'induit. Au contraire est très fort car il rend compte de tout le flux créé par l'induit.
  • La réactance n'a de signification physique que si on néglige la saturation du circuit magnétique. On l'appelle réactance synchrone pour la distinguer des réactances qui interviennent dans le régime transitoire.

Remarque sur la spécification d'un alternateur[modifier | modifier le wikicode]

Un alternateur est caractérisé par :

  • sa fréquence
  • sa tension composée
  • sa puissance apparente nominale
  • et une valeur du facteur de puissance

Or ne dépend pas de la machine mais de la charge qu'elle alimente.

Le courant nominal In est donné par la puissance apparente.

Le facteur de puissance indique indirectement le courant d'excitation, c’est la valeur du arrière pour lequel le débit de In nécessite le courant d'excitation nominal.

Machine synchrone autopilotée[modifier | modifier le wikicode]

La machine synchrone ne peut donc fonctionner qu’à vitesse constante. Sa caractéristique mécanique se résume à :


Caractéristique machine synchrone autopilotée.png

La vitesse de rotation étant liée à la fréquence d'alimentation, la caractéristique se résume à un segment de droite.

En revanche, à l'aide d'un variateur de fréquence, on peut réaliser un fonctionnement dans la zone 1.

Le problème de la zone 1, est de pouvoir garder le contrôle du couple. Pour cela, on réalise un bouclage de la MS. On dit que la machine est autopilotée.


Début d’un principe


Fin du principe


Bilan de puissance[modifier | modifier le wikicode]

Puissance reçue ou absorbée[modifier | modifier le wikicode]

Un alternateur reçoit la puissance mécanique fournie par le système d'entraînement (turbine, moteur diesel) et la puissance électrique par la roue polaire.




est le moment du couple d'entraînement que l’on peut mesurer




est la résistance du bobinage de la roue polaire.


La puissance absorbée s'écrit alors :



Puissance et rendement[modifier | modifier le wikicode]

L'alternateur est une source de tension triphasée alimentant une charge triphasée de facteur de puissance . La puissance utile s'écrit donc :




avec U tension composée en (V), et I intensité efficace du courant en ligne en (A)


Comme pour toutes les machines, le rendement se définit par :


Ordres de grandeur : Les alternateurs de centrale ont des rendements voisins des 98%.

Pertes[modifier | modifier le wikicode]

  • joules dans l'inducteur : égales à la puissance qu’il reçoit :




  • joules dans l'induit : Comme pour la MAS, si R est la résistance mesurée entre deux bornes du stator déjà couplé :




  • constantes : Elles correspondent à la somme des pertes mécaniques et magnétiques (inducteur et induit) et ne dépendent pas de la charge. Elles dépendent de la fréquence et de la tension.

MS couplée à un réseau de forte puissance[modifier | modifier le wikicode]

Principe et réversibilité[modifier | modifier le wikicode]

L'alternateur couplé à un réseau de distribution fonctionne à vide. Si l’on désaccouple le moteur d'entraînement du rotor, celui-ci continu à tourner au synchronisme grâce au champ statorique.

La machine devient maintenant moteur et est capable de transformer l'énergie électrique du réseau en énergie mécanique.

Caractéristiques et stabilité[modifier | modifier le wikicode]

7.2.1 : Vitesse du moteur :

La vitesse du moteur synchrone est imposée par la fréquence du réseau car . Elle est donc indépendante de la charge du moteur.

7.2.2 : Schéma monophasé et couple :

Étant donné que le schéma monophasé de l'alternateur a été construit sur le principe de la MS, celui-ci reste valable pour le fonctionnement en moteur synchrone. On prend parfois la convention récepteur pour montrer que l’on est en fonctionnement moteur.

Circuit RL complexe I inverse.png Diagramme vectoriel complexe RL pour machine synchrone inverse.png


D'où l’expression du couple utile et du couple électromagéntique :



et


Lien[modifier | modifier le wikicode]