l`alternateur synchrone - Le blog de Mesures Physiques

L’ALTERNATEUR SYNCHRONE
I)
Définition et intérêt :
1) Définition :
Un alternateur synchrone = machine électrique tournante en mode génératrice et produisant de
l’énergie électrique alternative.
Nous étudierons le cas d’un alternateur synchrone triphasé : l’induit peut être câblé en Y ou en ∆.
2) Intérêt :
 Convertie de la puissance méca. en puissance électrique.
 Principe simple et rendement très important ( ≈ 100 %)
 Peut être intégré dans des systèmes embarqués et dans des installations de puissance
 Sa taille est négligeable par rapport à la puissance délivrée
Ex : un alternateur de centrale = plusieurs dizaines de 𝑀𝑉𝐴 pour un diamètre de plusieurs dizaines de mètre
 L’alternateur est la base de presque toute la production d’énergie électrique mondiale
II)
Principe de fonctionnement :
1) Production d’une f.e.m sinusoïdale dans une bobine :
Soit une bobine plate de 𝑁 spires dans un champ
d’induction magn. avec une vitesse angulaire 𝜔.
Ce champ magn. tournant pourra être obtenu par
la rotation d’un aimant ou d’un électro-aimant :
Avec 𝐵𝑚 : la valeur efficace du champ d’induction magn. tel que : 𝑂𝑥, 𝐵𝑚 = 𝜔. 𝑡
Et le flux d’induction : 𝛷 𝑡 = −𝐵𝑚. 2. 𝑆. 𝑁. sin⁡
(𝜔. 𝑡) , Avec S : section de la bobine.
𝑑𝛷
Par suite, comme 𝑡 = − 𝑑𝑡 , on obtient 𝑒 𝑡 = 𝐵𝑚. 2. 𝑆. 𝑁. 𝜔. cos⁡
(𝜔𝑡)
⇔ 𝑒 𝑡 = 𝑒. 2. cos⁡
(𝜔𝑡) ; Avec 𝑒 = 𝐵𝑚. 𝑆. 𝑁. 𝜔
Notons qu’une période correspond à une rotation du champ magn. d’un tour.
2) Principe de la production de forces électromotrices triphasées équilibrées :
Soit trois bobines identiques décalées entre elles de 120° et soumise au même champ tournant.
A ces décalages correspondent des retards de phase de
2𝝅
𝟑
𝑒1 𝑡 = 𝑒. 2. cos⁡
(𝜔𝑡)
𝑒2 𝑡 = 𝑒. 2. cos⁡
(𝜔𝑡 −
𝑒3 𝑡 = 𝑒. 2. cos 𝜔𝑡 +
et de
2𝜋
3
2𝜋
3
4𝝅
𝟑
d’où :
)
= 𝑒. 2. cos⁡
(𝜔𝑡 −
4𝜋
3
)
On choisie l’origine des phases horizontale et le sens direct dans le sens trigonométrique.
De plus, on constate que les 3 f.e.m produites par le champ magn. d’intensité constante forment un
système triphasé équilibré.
III)
Technologie de l’alternateur synchrone :
1) Les circuits électriques :
Le rotor est l’inducteur : c’est lui que va absorber la puissance mécanique :
 Le rotor-inducteur de l’alternateur peut être constitué par un aimant permanent = rotor brushless
 Le rotor-inducteur peut aussi être constitué d’un bobinage que l’on fait parcourir par un courant
continu = rotor bobiné.
Cependant, ce dernier doit être alimenté en courant durant son mouvement : il sera donc confronté au
problème des balais et du collecteur.
Ainsi, le cas de l’alternateur brushless correspondra à une simplification de ce cas général.
 le courant inducteur = courant d’excitation
 Par son principe de fonctionnement le rotor-inducteur est aussi appelé roue polaire.
Le stator est l’induit : il produit la puissance électrique.
 Il est constitué de 3 bobinages décalés de
𝟐𝝅
𝟑
, afin de créer des f.e.m ayant ce même décalage.
Pour améliorer le fonctionnement du stator il suffit de
mettre 2 bobinages par phase : cela permet de profiter au
maximum du champ magn. et d’augmenter ainsi le
rendement de conversion (sans changer les fréquences
des f.e.m). Si l’un des 2 bobinages induits = pôle nord pour
le rotor alors l’autre présente le pôle sud : paire de pôle.
Remarque : Les champs induits tournent dans le stator à la même vitesse que le rotor. C’est pour cela
que l’alternateur est dit synchrone. Sa vitesse de rotation est notée : 𝑛𝑆 (𝑡𝑟. 𝑠 −1 )
2) Les paires de pôles :
p : nombre de paires de pôles
𝑓 : fréquence (Hz)
En jouant sur le nombre de paires de pôles, il sera possible de s’adapter à toutes les situations :
- Les centrales thermiques ou à vapeur = alternateur tournant à des vitesses rapides (1500-3000 𝑡𝑟/min)
- Les centrales hydroélectriques = alternateur tournant à vitesse lente (qq centaine de 𝑡𝑟/min)
On peut constater que le rotor porte le même nombre de paires de pôles que le stator.
𝑓 = 𝑝. 𝑛𝑆
3) Symboles électriques :
Avec :
GS : Génératrice synchrone
− : Courant continu
IV)
Fonctionnement de l’alternateur synchrone :
1) Schémas électriques équivalents :
En condition de fonctionnement raisonnable, le comportement électrique de la machine est donné par le
modèle équivalent de Behn-Eschenburg :
Avec :
𝑟𝑆 : Résistance de l’enroulement
 Pertes par échauffement dans la phase
𝑋𝑆 = 𝐿𝑆 . 𝜔 : réactance synchrone
 Pertes de flux magn. et réaction magn. d’induit
Remarque :
La présence des notations V et J permettent de dresser un modèle dans le cas générale :
- Si alt. monté en étoile : chaque phase délivre V et I.
- Si alt. monté en triangle : chaque phase délivre U et J
Dans la pratique, on préfère les alt. monté en étoile afin de créer le neutre.
D’après la loi des mailles : 𝐸 = 𝑟𝑆 + 𝑗. 𝑋𝑆 . 𝐽 + 𝑉
Or les bobinages induits sont faits de façon à être très peu résistants tels que : 𝑟𝑆 ≪ 𝑋𝑆
Donc : 𝐸 = 𝑗. 𝑋𝑆 . 𝐽 + 𝑉
2) Détermination des grandeurs d’une phase :
a) Force électromotrice :
K : constante de la machine = coef. de Kapp
N : nombre de conducteur d’une phase
𝐸 = 𝐾. 𝑁. 𝑓. 𝛷 = 𝐾. 𝑁. 𝛷. 𝑝. 𝑛𝑆
E : valeur efficace de la f.e.m 𝐸
Φ : flux magn.
La valeur efficace de la force électromotrice peut aussi être évalué par mesure à vide, car si l’on supprime la
charge, alors le courant 𝐽 = 𝑂 et donc : 𝐸 = 𝑉 ⇒ 𝐸 = 𝑉
b) La réactance synchrone :
La réactance synchrone se détermine elle-aussi par la mesure : si l’on remplace la charge, par un courtcircuit alors la tension de sortie est annulée et le courant prend une valeur élevée de court-circuit.
𝐸
On obtient donc : 𝑉 = 0 et 𝐽 = 𝐽𝑐𝑐 . Et ainsi : 𝐸 = 𝑗. 𝑋𝑆 . 𝐽𝑐𝑐 ⇔ 𝑗. 𝑋𝑆 = 𝐽
𝑐𝑐
𝐸
, Par suite : 𝑋𝑠 = 𝐽
𝑐𝑐
On en conclue que la réactance synchrone d’une phase se mesure à l’aide d’un essai à vide (en circuit
ouvert) suivi d’un essai en court-circuit.
3) Caractéristiques de l’alternateur synchrone :
a) Caractéristique interne :
Caractéristique interne d’un alternateur = courbe (𝒊) , avec 𝑖 : courant inducteur (ou d’excitation)
Or 𝐸 s’obtient à vide donc il s’agit de la
caractéristique 𝑉(𝑖) effectuée :
- A vitesse ou fréquence de rotation : 𝑛𝑆 = 𝑐𝑠𝑡𝑒
- A courant induit d’intensité nulle : 𝐼 = 0
b) Caractéristique en court-circuit :
Caractéristique en court-circuit = courbe 𝑱𝒄𝒄 (𝒊) tracée :
- A vitesse de rotation : 𝑛𝑆 = 𝑐𝑠𝑡𝑒
- A tension 𝑉 = 0
Cette proportionnalité entre 𝑱𝒄𝒄 et 𝒊 est toujours valable dans un alternateur synchrone.
c) Caractéristique externe :
Caractéristique externe = caractéristique en charge de l’alternateur, réalisée à l’aide d’une charge
d’impédance variable mais de 𝐜𝐨𝐬⁡
(𝝋) constant. On obtient donc la courbe 𝑉(𝐼) :
- A vitesse de rotation 𝑛𝑆 = 𝑐𝑠𝑡𝑒
- A courant d’excitation d’intensité 𝑖 = 𝑐𝑠𝑡𝑒
- Avec une charge dont cos 𝜑 = 𝑐𝑠𝑡𝑒
La courbe 𝑪𝟏 = charge purement résistive
La courbe 𝑪𝟐 = charge résistive et inductive
 La chute de tension est d’autant plus grande que la
charge est inductive.
La courbe 𝑪𝟑 = charge résistive et capacitive
 La chute de tension est d’autant plus petite que la
charge est capacitive
Même si 𝑖 et cos⁡
(𝜑) peuvent être choisis arbitrairement, la fréquence de rotation est imposée puisqu’elle
conditionne la fréquence 𝒇 des grandeurs électriques.
d) Diagramme de Behn-Eschenburg :
- Lorsque 𝑉 < 𝐸 : l’alternateur est dit sur-excité (V en avance sur J)  cas d’une charge inductive (a)
- Lorsque 𝑉 > 𝐸 : l’alternateur est dit sous-excité (V en retard sur J)  cas d’une charge capacitive (b)
e) Bilan des pertes et puissances :
Pertes joule au rotor
𝑃𝐽𝑅
𝑢. 𝑖
 Puissance absorbée : 𝑃𝑎 = 𝑇𝑎 . 𝛺 = 2𝜋. 𝑛. 𝑇𝑎
Même en mode génératrice une puissance électrique 𝒖. 𝒊 doit être fournie au rotor-inducteur pour créer
l’excitation et le champ d’induction.
 Puissance utile : 𝑃𝑢 = 𝐼. 𝑈. 3. cos⁡
(𝜑)
3
 Les pertes variables : 𝑃𝐽 = 𝑃𝐽𝑆 + 𝑃𝐽𝑅 = 𝑅𝐼² + 𝑢. 𝑖
2
 Les pertes constantes 𝑃𝑐𝑠𝑡𝑒 = 𝑃𝑟𝑜𝑡 + 𝑃𝑓  mesurables à vide
𝑃
 Rendement : 𝜂 = 𝑃𝑢 = 𝑃
𝑎
𝑃𝑢
𝑢 +𝑃 𝐽𝑆 +𝑃 𝐽𝑅 +𝑃𝑐𝑠𝑡𝑒
=
𝑃𝑎 −𝑃𝐽𝑆 −𝑃𝐽𝑅 −𝑃𝑐𝑠𝑡𝑒
𝑃𝑎
f) Détermination des pertes constantes dans l’alternateur :
A vide :
𝑃𝑢0 = 0 , car 𝐼0 = 0, de plus 𝑃𝑎0 = 𝑃𝑐𝑠𝑡𝑒 . Donc : 𝑃𝑐𝑠𝑡𝑒 = 2𝜋. 𝑛0 . 𝑇𝑎0