Alternateur
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Terminale STI génie mécanique nouveau programme 2002 Machine synchrone Génératrice synchrone : l’alternateur Etude en monophasé 1 Constitution Rotor Le rotor porte l’enroulement inducteur. Il est constitué d’un enroulement parcouru par un courant d’excitation Ie continu créant un champ magnétique 2p polaire. Il possède donc p paires de pôles. Remarques : il faut apporter le courant à l’inducteur par l’intermédiaire de bagues et de balais. Sur des petites machine, le rotor peut être constitué par des aimants permanents. Stator Le stator porte l’enroulement induit. L’enroulement du stator est le siège d’un courant alternatif monophasé. Modes de fonctionnement, champ tournant, réversibilité Fonctionnement en moteur : Les courants alternatifs de fréquence f dans l’induit (stator) créent dans l’entrefer de la machine, un champ magnétique tournant à la vitesse ns. Le rotor, siège d’un champ magnétique constant, suit le champ tournant à la même vitesse ns. Fonctionnement en alternateur : L’inducteur sur le rotor entraîné par une turbine tournant à la vitesse ns, crée dans l’entrefer de la machine un champ tournant à la vitesse ns. Ce champ tournant induit aux bornes de l’induit (stator) une f.e.m. e(t) de fréquence f. La machine synchrone est réversible. Rappel : toute variation de champs magnétique à travers une bobine créée aux bornes de la bobine une f.é.m. e(t) induite. C’est la loi de Faraday. Synchronisme Le rotor et le champ tournant ont la même vitesse nS. Ont dit qu’ils sont synchrones (d’où l’indice s de ns). La fréquence f de la f.e.m. ou du courant de l’induit (stator) et la vitesse de synchronisme ns sont liées par la relation : f nS p nS p : vitesse de rotation du champs tournant en trs.s-1 ; : fréquence des courants alternatifs en Hz ; : nombre de paires de pôles. f.é.m. induite L’enroulement de l’induit (stator) soumis au champ magnétique tournant de l’entrefer est le siège d’une f.é.m. e(t) de valeur efficace E. © Claude Divoux, 2003 1/6 Terminale STI génie mécanique nouveau programme 2002 Machine synchrone E : f.é.m. induit (V) E Kns K : constante globale (caractéristique du moteur) : flux maximum à travers un enroulement (Wb) Remarque : l’enroulement du stator est disposé de telle façon que la f.é.m. e(t) soit le plus possible de forme sinusoïdale. Caractéristique en fonction du courant d’excitation Ie (caractéristique à vide) Tant que le courant d’excitation dans l’inducteur Ie ne dépasse pas une certaine limite (Ie max), la valeur efficace E de la f.e.m. est proportionnelle à ce courant. C’est le courant Ie qui détermine le flux magnétique dans l’entrefer de la machine. Schémas Répartition du champ magnétique dans l’entrefer d’une machine synchrone et disposition du bobinage. bipolaire (p = 1) à pôles lisses tétrapolaire ou quadripolaire (p = 2) à pôles saillants Remarque : un champ magnétique à toujours deux pôles, un nord et un sud. C’est pourquoi on parle en terme de paire de pôles. Symboles Machine monophasée © Claude Divoux, 2003 2/6 Terminale STI génie mécanique nouveau programme 2002 Machine synchrone 2 Modèle équivalent de l ‘enroulement du stator modèle de l’induit e : f.é.m. à vide (V) v : tension aux bornes d’un enroulement de la machine (V) r : résistance de l’enroulement (Ω) X = L. : réactance synchrone (Ω) Le courant est orienté en « convention générateur ». modèle de l’inducteur L’inducteur est équivalent à une résistance Toute l’énergie absorbée à l’inducteur est perdue par effet joule : Pe Ue Ie Re Ie2 p je Réaction magnétique d’induit En charge, le courant dans l’induit (stator) crée un deuxième champ magnétique tournant qui modifie les caractéristiques de la machine. C’est ce que l’on nomme la réaction magnétique d’induit. L’inductance L du schéma tient compte de l’inductance réelle de l’enroulement et de la réaction magnétique d’induit. Loi des mailles Loi des mailles avec les grandeurs instantanées : Loi des mailles avec les grandeurs vectorielles : U L (LI, / 2) ; avec : V (V, ) ; evuL ur EV UL Ur Diagrammes de Fresnel Remarques : très souvent r.I est négligé ; en traçant le diagramme à l’échelle, il est possible d’en déduire certaines grandeurs ; si la charge est résistive = 0. Diagramme d’un alternateur couplé au réseau Pour un alternateur couplé au réseau, V est imposé à 220 V et à 50 Hz. Les grandeurs variables du réseau sont le courant I et le déphasage qui vont dépendre de la consommation. Observons l’allure du diagramme de Fresnel pour la variation de ces deux grandeurs : © Claude Divoux, 2003 3/6 Terminale STI génie mécanique nouveau programme 2002 Diagrammes superposés pour deux valeurs du courant Machine synchrone Diagrammes superposés pour deux valeurs du déphasage On constate que pour ces deux situations la f.é.m. E doit varier. E est donnée par la relation : E Kns On constate que le flux est le seul terme pouvant être modifié par l’intermédiaire du courant d’excitation Ie. 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. Si Ie devient trop grand, la machine risque de saturer, il n’est alors plus possible de contrôler E avec Ie. L’asservissement devient impossible. Il faut éviter la saturation. 3 Bilan des puissances d’un alternateur Puissance mécanique La turbine, ou le moteur à essence pour un groupe électrogène, entraîne l’arbre de l’alternateur avec un couple Tm.La puissance absorbée est mécanique. Pméca S .TM 2nSTM ΩS : pulsation de rotation en rad.s-1 nS : vitesse en trs.s-1 TM : couple utile sur l’arbre en N.m Puissance absorbée par le rotor Pe Ue Ie Si l’alternateur est à excitation indépendante, il faut encore tenir compte de l’énergie électrique absorbée par l’excitation (rotor). Si l’alternateur est auto-excité, la puissance reçue par l’inducteur (excitation) est fournie par le système d’entraînement et se trouve donc inclue dans le terme Pméca S.TM © Claude Divoux, 2003 4/6 Terminale STI génie mécanique nouveau programme 2002 Machine synchrone Puissance absorbée totale Alternateur à excitation indépendante : Pa S .TM Ue Ie Alternateur auto-excité : Pa S .TM Alternateur à excitation à aimants permanents: Pa S .TM Puissance utile La charge reliée à l’alternateur absorbe un courant de valeur efficace I et présente un facteur de puissance cos PU VI cos Pertes par effet joule dans l’inducteur : p je Ue Ie Re Ie2 Pertes par effet joule dans l’induit : p ji rI 2 Pertes par effet joule dans l’induit : Pertes dites « collectives » pc : p j rI 2 Re Ie2 pertes mécaniques et pertes fer qui ne dépendent pas de la charge. Remarque : comme les pertes mécaniques et les pertes fer dépendent de la fréquence et de la tension U, elles sont généralement constantes (50 Hz - 220V). Rendement Pu Pa 4 Utilisation Avantages La machine synchrone est plus facile à réaliser et plus robuste que le moteur à courant continu. Son rendement est proche de 99%. On peut régler son facteur de puissance cos en modifiant le courant d’excitation Ie. Inconvénients Un moteur auxiliaire de démarrage est souvent nécessaire. Il faut une excitation, c’est-à-dire une deuxième source d’énergie. Si le couple résistant dépasse une certaine limite, le moteur décroche et s’arrête. Centrale électrique Ils fournissent l’énergie du réseau EDF. On les trouve dans toutes les centrales électriques. Exemple : centrale de Rhinau sur le Rhin. © Claude Divoux, 2003 5/6 Terminale STI génie mécanique nouveau programme 2002 Machine synchrone La centrale comporte quatre alternateurs de 42000 kVA chacun : vitesse, 75 tr.mn-1 avec turbines Kaplan à axe vertical, débit 350 m3.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% © Claude Divoux, 2003 6/6
