Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Dédicace Nous dédions ce modeste travail : A nos parents qui ont toujours répondu présents A nos frères et sœurs pour leurs soutiens incomparables A nos enseignants pour leurs efforts A nos chers(es) amis(es) A toute personne ayant contribuée de près ou de loin à la réalisation de notre travail SMP Page 1 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Remerciement Nous tenons tout d’abord à exprimer nos sincères remerciements à notre encadrant Monsieur E. B. pour avoir bien voulu encadrer ce travail ainsi que pour sa riche contribution et ses précieux conseils. Nous remerciements s’adressent également à Monsieur L.B., professeur à la faculté des sciences et techniques, pour les orientations précieuses dont il nous a fait part. Nous exprimons nos sincères reconnaissances à l’égard de tous ceux qui ont contribué à notre formation, particulièrement les enseignants de la faculté polydisciplinaire B .M. Enfin, nous tenons à remercier tous ceux qui ont prêté main forte dans l’élaboration de ce travail. SMP Page 2 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Sommaire Introduction :……………………………………………………………................5 Partie I: Description Et principe De fonctionnement :……………6 І. Généralités : ......................................................................................................................... 6 І-1.Définition : ............................................................................................................................................... 6 І -2.Symbole de la machine synchrone :......................................................................................................... 6 ІІ. Constitution : ...................................................................................................................... 7 ІІ-1.rotor : ....................................................................................................................................................... 7 ІІ-1-1.définition : ............................................................................................................................................ 7 ІІ -2.Stator : .................................................................................................................................................... 9 ІІ -3.Champ tournant : .................................................................................................................................... 9 ІІІ. Circuit d’excitation : ......................................................................................................... 9 ІІІ -1.Excitation par une source de tension continue extérieure : ................................................................... 9 ІІІ -2.Excitation par un alternateur auxiliaire et un redresseur : ..................................................................... 9 V. Principe de fonctionnement : ............................................................................................ 10 V-1.Principe : ............................................................................................................................................... 10 V -2.Modes de fonctionnement : .................................................................................................................. 10 VІ. Démarrage, arrêt et Types des moteurs synchrones : ...................................................... 12 VІ-1.Démarrage d’un moteur synchrone : .................................................................................................... 12 VІ -2.Arrêt du moteur :................................................................................................................................. 13 VІ -3.Types des moteurs synchrones :.......................................................................................................... 13 VІІІ. Bilan des puissances : ................................................................................................... 14 VІІІ-1.Puissance utile : ................................................................................................................................. 14 VІІІ -2.Puissances absorbée : ....................................................................................................................... 15 VІІІ -3- Bilan des pertes : ............................................................................................................................. 15 VІІІ -4.Rendement : ..................................................................................................................................... 16 ІX. Mise en équation: ............................................................................................................ 16 Partie II: Caractéristiques Des machines Synchrones :………18 І. Partie théorique : ............................................................................................................... 18 І-1. Caractéristiques en alternateur: .............................................................................................................. 18 ІІ. Partie pratique : ............................................................................................................... 20 ІІ-1.Préparation: ........................................................................................................................................... 20 ІІ-1-2.Symboles : .......................................................................................................................................... 22 ІІ-2.Manipulation: ........................................................................................................................................ 22 SMP Page 3 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Partie III : Domaine D’application Des machines Synchrones :..32 І. Introduction: ...................................................................................................................... 32 ІІ. Exemples d’application de ces machines : ......................................................................... 32 ІІ-1.Barrages hydrauliques : ......................................................................................................................... 32 ІІ-2.Eoliennes : ............................................................................................................................................. 33 ІІ-3.Centrale thermique : .............................................................................................................................. 34 ІІ-4.Centrale nucléaire : ................................................................................................................................ 34 Conclusion :………………………………………………………………………36 Bibliographie………………………………………………………………37 SMP Page 4 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Introduction : Les machines électriques sont des convertisseurs électromécaniques d’énergie, elles transforment l’énergie mécanique en énergie électrique lorsqu’elles fonctionnent en générateurs, et inversement lorsqu’elles fonctionnent en moteurs. Parmi ces machines, on trouve la machine synchrone, qui est de nos jours la seule solution permettant de produire de l'électricité en grandes quantités lors du fonctionnement générateur. L’importance et la grande utilisation de cette machine nous à pousser à prendre un sujet de PFE qui concerne cette machine. L’objectif de notre projet est l’étude des machines synchrones. Premièrement, on va commencer par la description et le principe de fonctionnement des machines synchrones. Puis, nous allons réaliser des essais pratiques dans le but de déterminer les caractéristiques de ces types de machines en fonctionnement alternateur, ainsi que leur branchement en fonctionnement moteur, et le couplage de l’alternateur au réseau électrique. Finalement, nous allons traiter leurs domaines d’application. SMP Page 5 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Partie I: Description Et principe De fonctionnement : Nous allons traiter dans cette partie la machine synchrone : ces constitutions et leur fonctionnement. І. Généralités : І-1.Définition : Toute machine électrique à courant alternatif dont la vitesse de rotation de l’arbre de sortie est égale à la vitesse de rotation du champ tournant est appelée machine synchrone. Pour obtenir un tel fonctionnement, le champ magnétique rotorique est généré soit par des aimants soit par un circuit d’excitation. La position du champ magnétique rotorique est alors fixe par rapport au stator, ce qui impose en fonctionnement normale une vitesse de rotation identique entre le rotor et le champ tournant. Les machines synchrones sont divisées en plusieurs familles, qui vont de l’alternateur de plusieurs mégawatts, au moteur de quelques watts, mais la structure de ces machines est relativement proche. І -2.Symbole de la machine synchrone : La machine synchrone peut être représentée par son symbole normalisé générale qui précise si elle fonctionne en Générateur ou en Moteur. Le symbole peut préciser si l’inducteur est bobiné ou s’il est muni d’aimants permanents. Les représentations sont données pour les machines triphasées, ce qui est le cas le plus fréquent, mais elles peuvent être adaptées pour les machines monophasées ou diphasées. Figure 1 : symbole du moteur synchrone. Figure 2 : symbole de la génératrice synchrone. SMP Page 6 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 ІІ. Constitution : Les machines synchrones sont constituées essentiellement de deux parties : le rotor et le stator. Habituellement l’inducteur est porté par le rotor et l’induit est placé au stator. Cependant, il peut être autrement, notamment dans le cas d’alternateurs intermédiaires utilisés pour l’excitation de très grosses unités. Nous nous intéresserons au cas le plus courant, celui où l’induit est placé au stator et l’inducteur porté par le rotor. ІІ-1.rotor : ІІ-1-1.définition : Le rotor (Rotor provient de rotation qui signifie en mouvement tournant) est un aimant qui produit un champ magnétique. Il porte en général un bobinage placé dans des encoches ou sur des pôles saillants. Cet enroulement destiné à être alimenté en continu, constitue l’inducteur de la machine car il sert à créer un champ magnétique qui va balayer les conducteurs de l’induit. L’excitation peut également être produite par des aimants permanents montés en surfaces ou enterrés. Une variante particulière ne comporte aucune excitation au rotor et utilise les variations de réluctance. ІІ -1-2.types du rotor : Rotor à pôles lisses : Dans lequel les bobines sont réparties dans des encoches. On rencontre ce type d'équipement dans les machines tournant rapidement (centrales thermiques). On utilise les rotors à pôles lisses dans les turbines à vapeur qui tournent à haute vitesse (1800 tr /min). Le rotor a une forme cylindrique, car les pôles sont formés en plaçant des bobines dans des encoches du rotor. Figure 3: rotor à pôles lisses. SMP Page 7 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Rotor à pôles saillants : Dans lequel les bobines sont enroulées sur l'épanouissement polaire. Ce type de rotor équipe les machines tournant lentement, on les trouvera dans les centrales hydrauliques au fil de l'eau. Le rotor à pôles saillants est utilisé pour les alternateurs dans les centrales hydrauliques dont les turbines tournent à des vitesses très basses, de l’ordre de 50 à 300 tr/min. les pièces polaires sont placées sur une roue en acier montée sur un arbre vertical. Les bobinages d’excitation placés sur les pièces polaires sont constitués de barre de cuivre. Figure 4 : rotor à pôles saillants. Rotor à aimants : Le rotor est feuilleté et comporte des aimants permanents, soit montés en surface, soit enterrés. Figure 5 : rotor à aimants. Rotor à réluctance variable : Pour ce type de machines, le rotor ne comporte ni des aimants permanents, ni des enroulements d’excitations. Figure 6 : Rotor à réluctance variable. SMP Page 8 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 ІІ -2.Stator : Le stator est une pièce statique c'est à dire qui ne tourne pas (Stator provient de statique qui veut dire immobile). Il est formé d’un circuit magnétique feuilleté portant un enroulement triphasé dans les encoches. Ce bobinage constitue l’induit de la machine car il est le siège des forces électromotrices induites pour le champ tournant. ІІ -3.Champ tournant : Les courants alternatifs dans le stator créent un champ magnétique tournant à la pulsation : Ω𝑠 = 𝜔 𝑝 Ou 𝑛𝑠 = 𝑓 𝑝 Avec : Ω𝑠 : vitesse de rotation du champ tournant en rad.s-1. : Pulsation des courants alternatifs en rad.s-1 . 𝜔 = 2. 𝜋. 𝑓 p : Nombre de paires de pôles. 𝑛𝑠 : vitesse de rotation du champ tournant en tr/min. 𝑓 : Fréquence des courants alternatifs en Hz. ІІІ. Circuit d’excitation : Quand le rotor est bobiné, il faut alimenter l’enroulement inducteur qu’il porte. ІІІ -1.Excitation par une source de tension continue extérieure : Une source de tension continue est réalisée classiquement par un redresseur branché sur le réseau pour un moteur ou sur sa sortie pour un alternateur. Un système de bagues et balais assure la liaison avec le rotor. Ce type de dispositif présente néanmoins des inconvénients, particulièrement à cause de la maintenance plus exigeante liée à la présence de contacts mobiles. ІІІ -2.Excitation par un alternateur auxiliaire et un redresseur : Pour éviter l’utilisation d’un système de bagues et balais, l’excitation peut être fournie par un alternateur inversé, c’est-à-dire dont l’induit est tournant, solidaire de l’arbre de la machine principale, et dont l’inducteur est fixe. Un redresseur à diode placé sur la partie tournante alimente directement l’inducteur de la machine principale. Ce circuit est toutefois soumis à des contraintes mécaniques importantes, particulièrement lorsque la vitesse de rotation est élevée. Pour les machines branchées sur le réseau général, l’inducteur de l’alternateur auxiliaire est alimenté par un redresseur branché sur le réseau, mais ici, les diodes sont sur la partie fixe du système. Pour obtenir un ensemble autonome quand la machine principale est un alternateur qui n’est pas relié au réseau général, un troisième générateur synchrone fourni l’excitation de l’alternateur inversé. S’agissant d’une machine de petite puissance, un modèle à aimants convient pour cette tâche. SMP Page 9 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 ІV. Force électromotrice induite : La f.é.m. induite 𝒆 𝒗 (𝒕) = 𝑬𝒗 . √𝟐. 𝒔𝒊𝒏(𝒘𝒕) est sinusoïdale. Elle est créée par le flux 𝝋(𝒕) issu du champ magnétique tournant porté par la roue polaire, ce flux a pour expression : 𝝋(𝒕) = 𝝋𝒎𝒂𝒙 . 𝒄𝒐𝒔(𝒘𝒕) Le stator comporte 𝑵 conducteurs, donc 𝒆𝒗 (𝒕) = − 𝑵 𝒅𝝋 𝟐 𝒅𝒕 = 𝑵 𝟐 𝑵 𝟐 spires; ainsi : 𝒘. 𝝋𝒎𝒂𝒙 . 𝒔𝒊𝒏(𝒘𝒕) = 𝑬𝒗 . √𝟐. 𝒔𝒊𝒏(𝒘𝒕) La valeur théorique de la valeur efficace de la f.é.m. 𝑬𝒗 est donc : 𝑬𝒗 = √𝟐𝑵 𝟐 . 𝝅. 𝒇. 𝝋𝒎𝒂𝒙 Cette valeur efficace est celle de la f.é.m. à vide aux bornes de l'alternateur monophasé ou bien celle aux bornes d'une phase et du neutre de l'alternateur triphasé. V. Principe de fonctionnement : V-1.Principe : On excite l’enroulement rotorique en courant continu (inducteur) et on l’entraîne à une vitesse Ω, il se crée alors un champ tournant dans l’entrefer. L’enroulement triphasé statorique (induit) fixe, sera balayer par un flux variable et sera donc le siège d’un système de f.é.m. triphasé équilibré. Si on branche un récepteur, on calculera un système de courants triphasé équilibré. Donc à partir d’une énergie mécanique fournie au rotor, on obtient de l’énergie électrique disponible au stator : la machine fonctionne en alternateur. Réciproquement, si on alimente l’enroulement statorique par un système de tensions triphasé équilibré, on crée un champ tournant dans l’entrefer qui va entraîner les pôles du rotor dans son sillage. Si une charge tend à freiner le rotor, elle recevra l’énergie mécanique : c’est le fonctionnement en moteur synchrone. Une machine synchrone est réversible. Elle peut fonctionner en alternateur et en moteur. V -2.Modes de fonctionnement : Alternateur : On produit du courant électrique en transformant une énergie mécanique (ou énergie motrice) en énergie électrique grâce au phénomène d’induction magnétique. SMP Page 10 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Figure 7 : schéma énergétique d’un alternateur. Le principe physique qui permet de produire de l'électricité avec un alternateur est donc le magnétisme. Le rotor est un aimant : il est magnétique. Grâce à son magnétisme, on va produire de l'électricité d'où son nom d'électro-aimant. En tournant, le rotor produit un champ magnétique. Sous son effet, dans le cuivre de la bobine du stator, il va se créer naturellement, un courant électrique. C'est ce courant « Induit » qui est récupéré et utilisé en sortie de l'alternateur. Dans les centrales, l'alternateur est souvent couplé avec une turbine ou un multiplicateur de vitesse (Eolienne) par un arbre de transmission (dans certains cas, la transmission peut se faire à l'aide d'une Courroie ou d'une chaine).C'est cet axe qui transmet le mouvement rotatif au rotor. Le schéma ci-dessous montre le lien entre les éléments de l'alternateur et leur fonction : Figure 8 : schéma du lien entre les éléments de l'alternateur et leur fonction. Moteur : Trois bobines identiques sont disposées de sorte à créer un champ tournant lorsqu’elles sont alimentées par un courant triphasé. Sur l’axe, on place une aiguille aimantée. Elle reste immobile. Lançons-la dans le même sens que le champ tournant, lorsque sa vitesse initiale atteint celle du champ tournant, elle s’accroche et continue de tourner. Lancer dans l’autre sens, sa rotation s'arrête. SMP Page 11 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Un alternateur triphasé est donc réversible, mais un couple moteur ne peut se produire que si le rotor tourne à la même vitesse que le champ tournant, c’est pourquoi on le nomme moteur synchrone. Figure 9 : Les trois bobines décalées de 120º, parcourue par des courants triphasés, font tourner l’aiguille aimantée après qu’on l’a lancé dans le sens convenable. Les moteurs synchrones tournent en synchronisme avec le champ tournant, comparativement au moteur asynchrone qui tourne à une vitesse légèrement inférieure à celle du champ tournant. La vitesse du moteur est rigoureusement constante quelque soit la charge. Elle est indépendante de la charge et de la tension d’alimentation. VІ. Démarrage, arrêt et Types des moteurs synchrones : VІ-1.Démarrage d’un moteur synchrone : Le couple développé par un moteur synchrone est nul pour des vitesses différentes de la vitesse du synchronisme. Alors, il ne pourra pas démarrer en « moteur synchrone » directement sur le réseau d’alimentation. Solution : - Entraîner la machine en alternateur à vide grâce à un moteur auxiliaire jusqu'à la vitesse de synchronisme. - Alimenter le moteur à fréquence variable, c’est pour cela on utilise des variateurs de vitesse. - Démarrer la machine en moteur asynchrone en utilisant la masse de la roue polaire et les conducteurs inducteurs câblés en court circuit pour constituer un rotor de machine asynchrone bobiné. Généralement, on combine les deux derniers procédés. SMP Page 12 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 VІ -2.Arrêt du moteur : Comme toutes les machines de grande puissance, les moteurs synchrones prennent du temps à s’arrêter lorsqu’on les débranche du réseau. Pour diminuer ce temps d’arrêt, on peut employer le freinage par inversion ou le freinage dynamique. Dans le premier cas, on doit court-circuiter le champ avant d’intervertir les fils de ligne. Dans le 2ème cas, on débranche le stator du réseau et on le connecte à un groupe de résistances triphasé, tout en maintenant le courant d’excitation. Le moteur ralentit rapidement, car il fonctionne alors en alternateur. L’énergie cinétique du rotor est rapidement dissipée dans la résistance des enroulements et les résistances extérieures. VІ -3.Types des moteurs synchrones : Moteur synchrone à aimants : Le stator reste identique. Le rotor ou la roue polaire qui produit le flux inducteur, possède le même nombre de pôles que le stator. Pour éviter tous contact frottant, on place des aimants permanents de type terre rare en forme de tuile sur une jante en fer doux ou sectoriellement. Ce type de moteur est généralement associé à un capteur de position et de vitesse monté sur l’arbre et à un onduleur triphasé pour alimenter les enroulements du stator, on parle alors de moteurs synchrone autopiloté, l’ensemble se comporte alors comme un moteur à courant continu sans balais. Figure 10 : coupe d’un moteur à aimants permanent. Les moteurs linéaires : Leur structure est identique à celle des moteurs rotatifs de type synchrone. Ils sont composés d’un stator (plateau) et d’un rotor (tige d’avance) développés en ligne. En général le plateau se déplace sur une glissière le long de la tige d’avance. Ce type de moteur s’affranchit de toute cinématique intermédiaire pour la transformation du mouvement, d’où l’absence de jeu et d’usure mécanique de cet entraînement. Les moteurs asynchrones synchronisés : Ce sont des moteurs à induction. Lors de la phase de démarrage, le moteur fonctionne en mode asynchrone et lorsqu’il atteint une vitesse proche du synchronisme, il passe en mode synchrone. Si sa charge mécanique est importante, il ne peut plus tourner en mode synchrone et son mode de fonctionnement repasse en mode asynchrone. Cette particularité est obtenue par une construction spéciale du rotor et en général pour des moteurs de faible puissance. SMP Page 13 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Les moteurs pas à pas : Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction des impulsions électriques alimentant ses bobinages. Selon son alimentation électrique, il peut être de type : - unipolaire si ses bobinages sont toujours alimentés dans le même sens par une tension unique, d’où le nom d’unipolaire, - bipolaire lorsque ses bobinages sont alimentés tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre. Ils créent une fois un pôle Nord et une autre fois un pôle Sud d’où le nom de bipolaire. Les moteurs pas à pas peuvent être à réluctance variable, à aimants ou une combinaison des deux. Figure 11 : moteur pas à pas. VІІІ. Bilan des puissances : Figure 12 : bilan des puissances d’une machine synchrone. VІІІ-1.Puissance utile : En monophasé : 𝑷𝒖 = 𝑼. 𝑰. 𝐜𝐨𝐬 𝝋 En triphasé : 𝑷𝒖 = √𝟑𝑼. 𝑰. 𝐜𝐨𝐬 𝝋 SMP Page 14 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Avec : U : Tension entre deux bornes de phases. I: Intensité du courant de ligne. cos 𝜑 : Facteur de puissance imposé par la charge. VІІІ -2.Puissances absorbée : 𝑷𝒂 = 𝑷𝒖 + ∑ 𝒑𝒆𝒓𝒕𝒆𝒔 VІІІ -3- Bilan des pertes : La puissance reçue : L'alternateur reçoit une puissance mécanique PM qui lui est fournie par le moteur d’entraînement : 𝑷𝑴 = 𝑪𝒎 . Ω Avec : 𝑪𝒎 : Couple utile sur l’arbre en N.m Ω : Pulsation propre en rad.s-1 (Ω = 2πN) Les pertes collectives : Ce sont des pertes mécaniques (Pm), qui ne dépendent que de la fréquence de rotation et les pertes dans le fer (Pf), qui ne dépendent que de la fréquence et de la valeur maximale du flux. Ces pertes seront mesurées au cours d'un essai à vide dans lequel la machine tourne à la fréquence de rotation nominale, sous une tension égale à la tension qu'elle aurait en charge. En effet, l'égalité des tensions efficaces entraîne celle des flux. Les pertes par effet Joule dans l'inducteur : 𝑷𝑱𝑹 = 𝑼𝒆 . 𝑰𝒆 Avec : 𝑼𝒆 : 𝑰𝒆 SMP Tension aux bornes de l'inducteur. : Intensité du courant d'excitation. Page 15 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Les pertes par effet Joule dans l'induit : En monophasé : 𝑷𝑱𝑺 = 𝒓. 𝑰𝟐 𝑟: Résistance de l'enroulement induit. 𝐼: Intensité efficace du courant débité par l'induit. En triphasé : 𝑷𝑱𝑺 = 𝑟: 𝐼: 𝟑 𝒓. 𝑰𝟐 𝟐 Résistance mesurée entre deux bornes de phase de la machine. Intensité efficace du courant de ligne. VІІІ -4.Rendement : Alternateur : 𝝆= 𝑷𝒖 𝑷𝒂 = 𝑼𝑰√𝟑 𝒄𝒐𝒔 𝝋 𝑼𝑰√𝟑 𝒄𝒐𝒔 𝝋 +𝑷𝑴 +𝑷𝑱𝑹 +𝑷𝑱𝑺 +𝑷𝒇 Moteur : 𝝆= 𝐔𝐈√𝟑 𝐜𝐨𝐬 𝛗−𝐏𝐉𝐒 −𝐏𝐌 −𝐏𝐟 𝐔𝐈√𝟑 𝐜𝐨𝐬 𝛗−𝐏𝐉𝐑 ІX. Mise en équation: Pour pouvoir étudier le fonctionnement d’une machine synchrone en régime sinusoïdal, et en négligeant toutes les pertes, ainsi que les phénomènes de saturation, on utilise pour une phase le schéma équivalent suivant : Figure 13 : Circuit équivalent d’une machine synchrone. SMP Page 16 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Avec : 𝝎 : La pulsation du champ tournant. 𝑳 : Inductance cyclique de la machine. 𝑬(𝒕) : La f.é.m. créée par le champ magnétique rotorique dans une phase de la machine. 𝑬 : La valeur efficace de e(t). 𝝋 : Le déphasage entre 𝑽 et 𝑰. 𝝓: Le déphasage entre 𝑬 et 𝑰. L’équation de la tension de sortie est : 𝑽 = 𝑬 + 𝒋𝑳𝝎𝑰 Il est alors possible de tracer le diagramme des phases correspondant à cette équation : Figure 14 : Diagramme de Behn-Eschenbourg. Si on veut tracer sur ce même diagramme, l’image des champs statorique et rotorique. L’image du champ statorique est en phase avec le courant, ainsi que l’image du champ 𝝅 rotorique est en retard par rapport au courant de 𝟐 − Ф. Figure 15 : Diagramme de Behn-Eschenbourg avec les champs. SMP Page 17 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Partie II: Caractéristiques Des machines Synchrones : Concernant cette étape, nous allons faire l’étude théorique des machines synchrones. Puis nous faisons des essais pratiques afin de déterminer les caractéristiques de l’alternateur, comment le coupler au réseau, et le branchement du moteur synchrone. І. Partie théorique : Le point de fonctionnement est caractérisé par les grandeurs efficaces d'induit U et I, le déphasage 𝜑 introduit par la charge, l'intensité du courant d'excitation J et la fréquence f reliée à la vitesse. Si nous fixons trois de ces grandeurs, nous pouvons tracer le graphe de variation des deux autres grandeurs. En général la fréquence f est fixée. Le diagramme simplifié du modèle linéaire permet d'obtenir rapidement l'allure de ces caractéristiques. І-1. Caractéristiques en alternateur: Schéma : Figure 16 : circuit de l’alternateur pour une phase. On a: ̅ = ̅̅̅ 𝑽 𝑬𝒋 − (𝑹 + 𝒋𝑿)𝑰̅ Avec: I : courant d’induit. V : tension simple d’induit. X : réactance synchrone. Il existe trois types de caractéristiques : І-1-1. Caractéristique à vide : à vide on a : N = cste I = 0, ceci implique que : SMP ̅=𝑬 ̅𝒋 𝑽 Page 18 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Figure 17 : caractéristique à vide. І-1-2. Caractéristiques externes: Si nous fixons J et 𝜑 nous pouvons tracer la caractéristique externe U(I) : Figure 18 : caractéristiques externes. І-1-3. Caractéristique en court circuit : On a: ̅𝑱 = 𝑽 ̅ + 𝑹𝑰̅ + 𝒋𝑿𝑰̅ 𝑬 En court-circuit V=0, implique : ̅ 𝑱 = 𝑹𝑰̅ 𝒄𝒄 + 𝑿𝑰̅ 𝒄𝒄 𝑬 En module : SMP 𝑬𝑱 = √𝑹𝟐 + 𝑿𝟐 𝑰𝒄𝒄 Page 19 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 D’ après la relation, quand Icc augmente, j augmente aussi : Figure 19 : caractéristique en court-circuit. Si R<<X 𝑬𝑱 = 𝑿𝑰𝒄𝒄 : 𝑿= Donc : Finalement : Avec 𝒌 = Et 𝒌′ = 𝑬𝑱 𝑱 𝑰𝒄𝒄 𝑱 𝑬𝑱 𝑰𝒄𝒄 = 𝑬𝑱 𝑱 𝑱 𝑰𝒄𝒄 𝑿= 𝒌 𝒌′ : pente de la caractéristique à vide. : pente de la caractéristique en court-circuit. ІІ. Partie pratique : ІІ-1.Préparation: Dans cette partie nous allons réaliser des essais pratiques pour déterminer toutes les grandeurs électriques qui permettent de caractériser le fonctionnement d’un alternateur synchrone. Pour le fonctionnement d’un moteur synchrone nous allons faire un branchement pour le démarrage, ainsi que la réalisation du couplage de l’alternateur au réseau électrique. ІІ-1-1.Plaques signalétiques: SMP Machine synchrone: Alternateur à excitation séparé: Type: A23AL Tension nominale aux bornes de l’induit entre phase et neutre : 220V Tension nominale aux bornes de l’induit entre deux phases : 380V Puissance apparente de la machine : 1Kw Tension nominale aux bornes de l’inducteur : 160VCC Facteur de puissance : cosφ=1 Vitesse nominale : 1500 tr/min Fréquence nominale : 50 Hz Page 20 Caractérisation des machines synchrones - 2011/2012 Courant nominal d’inducteur : 1A Courant nominal d’induit pour un couplage étoile : 2A Courant nominal d’induit pour un couplage triangle : 3.4A Destination: caractérisation Machine à courant continu: Machine à courant continu à excitation shunt ou séparé : - Type: CL1 - Tension nominale aux bornes de l’induit: 220V - Tension nominale aux bornes de l’inducteur : 220V - Puissance apparente de la machine : 1.5Kw - Vitesse nominale : 1500 tr/min - Courant nominal d’inducteur : 0,65A - Courant nominal d’induit: 8.3A Destination: caractérisation. Rhéostat: - Type: REC7L - Courant d’excitation qui peut être supporté par le rhéostat: 0.65A - Résistance totale: 680Ω - La puissance maximale supportée par le rhéostat: 285w. Destination: faire varier le courant d’excitation Résistance de démarrage: - Type: 1994 - La résistance interne: 25Ω - Le courant nominal qui passe par la résistance:8.5A - La tension nominal:220V Destination: démarrage du moteur à courant continu Multimètre: Destination: faire mesurer la tension, le courant et la résistance Wattmètre numérique : Qui affiche le courant, la tension, la puissance et facteur de puissance cos 𝜑 . Tachymètre: - Type: RE.0444N1B60VEG - Le courant maximal:0.18A - La vitesse maximal: 10000tr /min Destination: capter la vitesse SMP Page 21 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 ІІ-1-2.Symboles : alternateur triphasé: Figure 20: bornes de l’alternateur triphasé. moteur à courant continu: Figure 21 : bornes d’un moteur à courant continu. ІІ-2.Manipulation: ІІ-2-1.Mesure de la résistance d’un enroulement: Pour mesurer la valeur de la résistance d’un enroulement, il faut choisir l’une de ces méthodes, mais dans notre caractérisation, nous allons choisir la méthode de volteampèremètre. Mesure par la méthode directe: Figure 22 : schéma de la méthode directe. La valeur de la résistance est: R= 5.3Ω. SMP Page 22 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Figure 23 : schéma de la méthode directe couplage étoile. 𝑹 La valeur de la résistance est: 𝑹𝒀 = 𝟐 = 𝟐. 𝟑𝟓 Ω donc : 𝑹 = 𝟒. 𝟕Ω Figure 24 : schéma de la méthode directe couplage triangle. La valeur de la résistance est: 𝟑𝑹 𝑹𝜟 = 𝟐 = 𝟕. 𝟒𝟑Ω donc :𝑅 = 4.95Ω Mesure par la méthode volte-ampèremètre : Figure 25 : schéma de la méthode volte-ampèremètre. Tableau de mesures: I(A) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 U(V) 0.9 1.9 2.9 3.9 4.9 5.9 6.9 7.9 8.9 9.9 R () 4.5 4.75 4.83 4.87 4.9 4.91 4.92 4.93 4.94 4.95 SMP Page 23 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 𝑅𝑚𝑜𝑦 = 4.85Ω Donc: ІІ-2-2. Caractérisation de l’alternateur: Essai à vide: Pendant l’essai à vide d’un l’alternateur: - Aucun courant ne traverse le stator. - Le champ tournant est issu de la roue polaire (traversée par un courant d'excitation i). - Aux bornes du stator, nous récupérons trois f.é.m. induites sinusoïdales de valeur efficace Ev. mode opératoire de la manipulation: - Nous couplons la machine avec un moteur à courant continu à excitation séparée. - Nous relions le rotor en série avec un rhéostat en position d’arrêt. - Nous alimentons le rotor de l’alternateur en continu. - Nous augmentons la valeur du courant pour prendre les différentes mesures. - Nous plaçons un ampèremètre pour mesurer le courant dans l'inducteur. Le schéma du montage : Figure 26 : montage de l’essai à vide. Mesure: Au départ, nous avons alimenté l’inducteur du moteur à courant continu par 220V, puis nous avons alimenté l’induit par la même tension et en augmentant progressivement la tension de ce dernier, en réglant la vitesse du moteur avec un tachymètre jusqu'à avoir la vitesse nominale de la machine ≈ 1500 tr/min. La machine tourne avec sa vitesse nominale, et pour chaque courant d’excitation de l’inducteur, nous avons pris les valeurs efficaces des tensions statoriques. SMP Page 24 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Le sens direct : EJ (V) J(A) 2.2 0 28.5 0.05 54 0.1 79 0.15 105 0.2 127 0.25 165 0.35 178 0.4 198 0.5 213 0.6 225 0.7 235 0.8 245 0.9 EJ(V) J(A) 245 0.9 239 0.8 228 0.7 215 0.6 200 0.5 182 0.4 153 0.3 132 0.25 110 0.2 57 0.1 2.2 0 149 0.3 Le sens inverse: 168 0.35 Traçage de EJ (induit) en fonction du courant d’excitation J: Figure 27 : caractéristique à vide. Commentaire: D’après cette courbe, nous remarquons que la caractéristique à vide est linéaire pour les faibles valeurs du courant d’excitation, et à partir d’une certaine valeur (seuil) elle devient saturer. Nous observons aussi une f.é.m. rémanente due au champ magnétique rémanent des tôles du circuit magnétique et une hystérésis due à l’hystérésis de ces tôles. SMP Page 25 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Essai en court-circuit: Pour l’essai en court-circuit, nous remplaçons le voltmètre dans l’essai à vide par un ampèremètre. Le schéma du montage: Figure 28 : schéma d’essai en court-circuit. Mesure: Nous réglons la vitesse à sa valeur nominale 1500tr/min. Dans cet essai nous avons agit sur le courant d’excitation et pour ne pas dépasser le courant nominale de l’induit, nous avons gardé le courant de l’inducteur inférieur à sa valeur nominale 0,65A. Pour cet essai, nous branchons un ampèremètre entre les bornes du stator, et nous relevons le courant Icc aux bornes du stator (induit) en fonction du courant d’excitation aux bornes du rotor (inducteur). Icc(A) J(A) SMP 0 0 0.37 0.1 0.7 0.2 1.05 0.3 1.37 0.4 1.73 0.5 2 0.59 Page 26 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Traçage de Icc en fonction du courant d’excitation J: Figure 29 : caractéristique en court-circuit. commentaire: D’après la courbe de la caractéristique en court circuit, nous voyons que le courant Icc est proportionnel à J. Détermination La réactance de Ben-Echembourg associé à la machine : On a: En court-circuit, V=0 implique: ̅𝒋 = 𝑽 ̅ + 𝑹𝑰̅ + 𝒋𝑿𝑰̅ 𝑬 ̅ 𝒋 = 𝑹𝑰̅𝒄𝒄 + 𝒋𝑿𝑰̅𝒄𝒄 𝑬 En module : Ej = √R2 + X 2 Icc = kJ Donc : 𝒌 𝟐 𝑿 = √(𝒌′ ) − 𝑹𝟐 Avec: k : la pente de la caractéristique à vide. 𝑘́ : La pente de la caractéristique en court-circuit. R : résistance d’un enroulement du stator. D’après la courbe de caractéristique à vide on trouve : 𝒌 = 𝟏𝟒𝟗−𝟐.𝟐 D’ après la courbe de caractéristique en court-circuit : 𝒌′ = SMP 𝟎.𝟑−𝟎 𝟏.𝟑𝟕−𝟎 𝟎.𝟒−𝟎 = 𝟒𝟖𝟗. 𝟑𝟑 = 𝟑. 𝟒𝟐 Page 27 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Donc : 𝒌 𝟐 𝟒𝟖𝟗.𝟑𝟑 𝟐 𝑿 = √(𝒌′ ) − 𝑹𝟐 = √( D’où : 𝟑.𝟒𝟐 ) + 4.85𝟐 X=142.99 Ω Essai en charge : schéma du montage: Figure 30 : schéma de l’essai en charge. Mesure : P(W) 0 0 119,2 175,8 236 284 332 376 410 436 464 480 496 502 502 502 492 SMP U(V) 180,133 179,55 177,24 173,78 173,78 171,47 168,58 165,70 161,08 157,40 152,99 149,53 146,07 140,87 135,67 131,05 125,86 I(A) 0,00 0,00 0.22 0.33 0.45 0.55 0.64 0.75 0.84 0.95 1.01 1.07 1.13 1.18 1.23 1.27 1.30 Cosα 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 PRch(W) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Page 28 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Traçage de U en fonction de I: Figure 31 : caractéristique en charge. Interprétation physique: Nous remarquons que la tension diminue avec l’augmentation du courant. ІІ-2-3.Couplage de l’alternateur au réseau électrique : Schéma du montage de l’alternateur couplé au réseau : Figure 32 : montage du couplage de l’alternateur au réseau. SMP Page 29 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 condition de couplage : Nous voulons que les deux réseaux alternatifs présentent des tensions de valeurs efficaces identiques et en phases. Visualisons les deux tensions. Pour réaliser ces conditions, il faut faire plusieurs réglages : - Réglage de la vitesse du groupe aux alentours de la vitesse de synchronisme (Ns=1500tr/min). Nous démarrons la machine à courant continu en réglant le rapport cyclique du hacheur. - Réglage de la valeur efficace de la tension (entre phase et neutre) fournie par la machine synchrone. - Vérification de l’ordre des phases du système de tensions triphasées fournies par la machine synchrone et celui du réseau alternatif. Lorsque les « feux » des lampes sont dits « battants » l’ordre des phases des deux systèmes de tensions triphasées sont identiques. Dans le cas contraire les « feux » sont dits « tournants » ; le couplage de la machine dans ces conditions pourrait endommager le réseau et la machine ; pour rétablir l’ordre des phases il suffit de croiser deux fils. Lorsque les trois conditions citées ci-dessus sont réunies les lampes ne sont pas forcement éteintes. Nous pouvons obtenir l’extinction totale des feux en agissant sur le courant d’excitation de la machine synchrone et en ajustant la vitesse du groupe (on règle le courant d’excitation de la machine à courant continu). Lorsque les lampes sont éteintes nous pouvons fermer les interrupteurs du synchronoscope, la machine est couplée au réseau. SMP Page 30 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 ІІ-2-4. Caractérisation du moteur synchrone : Schéma du montage : Figure 33 : montage du moteur synchrone. Au début nous court-circuitons le rotor et nous alimentons les enroulements du stator par une tension triphasé, ce qui permet la création d’un champ tournant qui amène rapidement le moteur à une vitesse légèrement inférieur à sa vitesse synchrone, alors il démarre en moteur asynchrone. A l’aide d’un inverseur nous changeons du court-circuit du rotor à l’excitation pour qu’il puisse dans ce qui suit de fonctionner en moteur synchrone. SMP Page 31 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Partie III : Domaine D’application Des machines Synchrones : І. Introduction: Nous allons présenter le fonctionnement de quelques sources d’énergie (les centrales hydrauliques, les éoliennes,...). De nombreuses civilisations se sont servies de la force de l’eau, de vent… qui représentaient des sources d’énergie les plus importantes avant l’ère de l’électricité. Ce sont des solutions misent en œuvre dans la production d’électricité car elles utilisent une énergie renouvelable, elles sont aussi considérées comme des énergies propres. Figure 34 : schéma général de production de l’électricité. ІІ. Exemples d’application de ces machines : ІІ-1.Barrages hydrauliques : ІІ-1-1.Définition : Un barrage est un ouvrage artificiel(ou naturel), généralement établi en travers d’une vallée, transformant en réservoir d’eau un site naturel approprié. ІІ -2-2. Fonctionnement : Le barrage s’oppose à l’écoulement naturel de l’eau, sauf en cas des forts débits, qu’il laisse alors passer. De grandes quantités s’accumulent et forment un lac de retenue. Lorsque l’eau est stockée, il suffit d’ouvrir les vannes pour amorcer le cycle de production de l’électricité. L’eau rentre alors dans une conduite forcée, et se dirige vers la centrale hydraulique. A la sortie de la conduite, l’écoulement d’eau fait tourner la turbine qui fait à son tour entrainer l’alternateur, ce dernier transforme cette énergie mécanique en énergie électrique. SMP Page 32 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Figure 35 : production de l’électricité dans un barrage hydraulique. Figure 36 : schéma du barrage hydraulique. ІІ-2.Eoliennes : ІІ -2-1. Définition : L’éolienne est une machine dont l'objectif est de transformer l'énergie du vent en énergie utilisable par l'homme, soit en énergie mécanique comme dans les moulins ou les éoliennes de pompage, soit en énergie électrique comme dans les éoliennes modernes. ІІ -2-2. Fonctionnement : Le rotor est une des parties les plus visibles du système éolien. Il est formé de plusieurs pales qui ont une forme particulière. Lorsque le vent fait tourner les pales, celles-ci font tourner le rotor qui fait, à son tour, tourner le mécanisme d’entraînement et le générateur. Figure 37 : production de l’électricité dans une éolienne. SMP Page 33 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Le principe de l’éolienne se résume donc en un système (un rotor-génératrice) qui, à partir d’une énergie extrêmement variable (le vent), devra produire une énergie électrique présentant des caractéristiques constantes. Figure 38 : schéma explicatif d’une éolienne. ІІ-3.Centrale thermique : Une centrale thermique classique fonctionne grâce à la combustion de gaz naturel, de charbon (charbon pulvérisé) ou de fuel dans une chaudière à vapeur. La chaleur des gaz de fumées et des flammes sert à chauffer la tuyauterie de la chaudière et transforme progressivement l'eau qui y circule en vapeur. Les gaz de fumées s’échappent par la cheminée. Dans les centrales au charbon, un électro filtre en retient d’abord les particules de poussière. La vapeur fait tourner la turbine à vapeur, qui à son tour entraîne l’alternateur pour produire l’électricité. Le transformateur élève la tension du courant produit, avant qu’il ne soit injecté dans le réseau de transport. Figure 39 : schéma de la Centrale thermique. SMP Page 34 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 ІІ-4.Centrale nucléaire : ІІ-4-1.Définition : Une centrale nucléaire est avant tout une centrale thermique. Il s'agit de transformer une énergie calorifique (chaleur) libérée par le combustible (uranium enrichi) en énergie mécanique (mise en mouvement d'une turbine), puis en énergie électrique (grâce à un alternateur). Dans une centrale thermique classique, la chaleur provient de la combustion du charbon ou du fioul. Dans une centrale nucléaire, elle provient de la fission de l'uranium ІІ-4-2.Fonctionnement : Le fonctionnement des centrales nucléaires passe par trois étapes : Le circuit primaire (réacteur) : Dans le réacteur, la fission des atomes d'uranium produit une grande quantité de chaleur. Cette chaleur fait augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur, à 320 °C. L'eau est maintenue sous pression pour l'empêcher de bouillir. Le circuit secondaire (générateur de vapeur) : Dans ce générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit primaire chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Le circuit de refroidissement : À la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. Figure 40 : schéma de la Centrale nucléaire. SMP Page 35 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Conclusion : Dans ce travail, nous avons fais une étude descriptive des machines synchrones ainsi que l’étude de leur principe de fonctionnement. A l’aide de la réalisation des essais pratiques nous avons déterminé les caractéristiques de ces machines. Puis nous avons traité leurs domaines d’application. En fin nous pouvons affirmer que l’étude des machines synchrones a été très importante pour notre formation. Elle nous a permis d’approfondir nos connaissances dans le domaine d’électrotechnique. SMP Page 36 Caractérisation des machines synchrones 2011/2012 Bibliographie Les essais pratiques au laboratoire d’électrotechnique de la faculté des sciences et technique de beni mellal. http://fisik.free.fr/ressources/LeMoteurSynchrone.swf http://www.enrdd.com/documents/documents/Mediatheque/Films/centrale_hydraulique.swf http://www.edf.com/html/panorama/transversal/media_eol/eol_anim_01.html http://www.google.com SMP Page 37 Caractérisation des machines synchrones SMP 2011/2012 Page 38
