CH5 : Les machines alternatives

BTS CRSA 2ème année - Sciences physiques et chimiques appliquées
CH5 : Les machines alternatives
Objectifs :
A l’issue de la leçon, l’étudiant doit :
5.1
Savoir décrire la conversion de puissance réalisée par une machine alternative
5.2
Connaître la signification des termes machine synchrone et machine asynchrone.
5.3
Savoir déterminer le couplage de l’induit à partir de la plaque signalétique
5.4
Savoir calculer la vitesse de synchronisme, connaissant la fréquence d’alimentation et le
nombre de paires de pôles.
5.5
Savoir déduire la vitesse de synchronisme d’un MAS connaissant sa vitesse de rotation
nominale.
5.6
Savoir calculer le glissement d’un moteur asynchrone
5.7
Connaître les relations entre les grandeurs d’entrée et de sortie des machines
alternatives
5.8
Savoir effectuer un bilan de puissance dans une machine alternative et calculer son
rendement
5.9
Savoir déterminer un point de fonctionnement d’un moteur alternatif à partir des
caractéristiques mécaniques.
5.10 Savoir quel variateur de vitesse utiliser pour une machine alternative
 Etablir la fiche résumée de ce chapitre en vous aidant de l’annexe de ce chapitre et de l’annexe du TP8.
BTS CRSA 2ème année - Sciences physiques et chimiques appliquées
Annexe du CH5 : compléments sur les machines alternatives
1. Quelle est la conversion de puissance réalisée par une machine alternative ?
Il existe 2 types de machine alternative : la machine synchrone et la machine asynchrone.
Une machine alternative est un convertisseur rotatif d’énergie réversible :
Energie
électrique
Moteur alternatif
(MS ou MAS)
Energie
mécanique
Energie
mécanique
Alternateur
(MS ou MAS)
Energie
électrique
Pertes
Pertes
La différence avec la MCC est que l’énergie est sous forme alternative pour les MS et MAS.
2. Qu’est-ce que le nombre p d’une machine ?
C’est le nombre de paires de pôles. Les machines les plus simples comprennent une paire de pôle : un pôle
nord et un pôle sud (machine bipolaire ; p=1). La plupart des machines ont un nombre p généralement
supérieur à 1.
3. Qu’est-ce que la vitesse de synchronisme ?
C’est la vitesse à laquelle tourne le champ tournant pour une machine alternative possédant 1 paire de
pôles. Cette vitesse est notée n. Cette vitesse diminue avec le nombre de paires de pôles : elle dépend
de p et de la fréquence f de la tension d’alimentation :
𝟔𝟎𝒇
𝒏𝒔 =
𝒑
[tr/min]
[Hz]
4. Quel est le point commun entre la machine synchrone (MS) et la machine asynchrone (MAS) ?
Le stator est identique pour les 2 machines. Il est constitué de bobinages qui, alimentés en triphasé
créent un champ tournant en fonctionnement moteur.
5. Quelle est la différence entre la MS et la MAS ?
Le rotor est différent pour les 2 machines.

Pour la machine synchrone :
Le rotor est constitué d’un aimant ou d’un bobinage alimenté en continu (électroaimant).
En fonctionnement moteur, cet aimant, plongé dans un champ magnétique tournant, tourne à la
vitesse de synchronisme (voir paragraphe 1 de l’annexe du TP8) ; d’où le qualificatif
« synchrone » :
𝒏 = 𝒏𝒔

Pour la machine asynchrone :
Le rotor est constitué de conducteurs court-circuités. Ces conducteurs sont le siège de
courants induits qui entrainent la rotation du rotor sans jamais atteindre la vitesse de
synchronisme (voir paragraphe 1 de l’annexe du TP8) ; d’où le qualificatif « asynchrone » :
𝒏 ≤ 𝒏𝒔
6. Qu’est-ce que le glissement ?
C’est une grandeur définie pour le moteur asynchrone.
A vide, le rotor tourne à une vitesse très proche du synchronisme. Plus on charge le moteur, plus la
vitesse du rotor diminue : on dit qu’il y a glissement.
Le glissement est quantifié par une grandeur notée g (sans unité) dont l’expression est :
𝒈=
𝒏𝒔 − 𝒏
𝒏𝒔
7. Quelle est l’expression du couple électromagnétique pour les 2 types de machine en
fonctionnement moteur ?

Pour un moteur synchrone :
Le modèle électrique équivalent par phase est le suivant :
La source e du modèle équivalent de l’induit correspond à l’apparition d’une fem induite dans les
conducteurs du fait de la rotation du rotor (comme pour la MCC).
On montre que le couple électromagnétisme dépend de la fréquence de v, des valeurs efficaces
de v et de e et du déphasage θ entre ces 2 tensions :
𝟑𝑽𝑬
𝑻𝒆𝒎 = 𝝅 ∙ 𝒏
𝐬𝐢𝐧 𝜽
𝒔
𝑳𝝎
𝟑𝟎

Pour le moteur asynchrone :
Le modèle équivalent par phase est le suivant :
I
I'
X
Avec :


I0
V
Rf
𝒓
𝒈
Xm



Rf : modélisation des pertes fer
Xm : réactance magnétisant (modélise
flux traversant le stator et le rotor)
r : modélisation des pertes joules au
rotor ramenée au stator
r/g : modélisation de la puissance
transmise au rotor
X : modélisation de l’ensemble des flux
de fuites
On montre que le couple électromagnétisme a pour expression :
𝑻𝒆𝒎
𝟑𝒑𝟐
𝑽
=
𝟔𝟎 ∙ 𝟐𝝅 ∙ 𝒓 𝒇
𝟐
𝒏𝒔 − 𝒏
Remarque : Si V/f est constant, on obtient une caractéristique mécanique linéaire dans la partie utile
(droite décroissante comme pour la machine à courant continu). Ce qui explique que le variateur de
vitesse d’un MAS soit un onduleur fonctionnant à V/f constant.
8. Ces machines peuvent-elles fonctionner en alternateur ?
Il y a des applications en alternateur pour les 2 types de machine.

Pour la MS :
L’alternateur synchrone est l’application principale de la machine synchrone. Il est présent dans
la grande majorité des centrales électriques.
Le rotor alimenté en continu est entraîné par un dispositif annexe (turbine, éolienne,…). Le rotor
crée ainsi un champ tournant qui fait apparaître des tensions induites aux bornes des bobinages
du stator.

Pour la MAS :
Durant les phases de freinage, une MAS peut fonctionner en générateur. La vitesse de rotation
est alors supérieure à la vitesse de synchronisme ; d’où le nom de fonctionnement « génératrice
hypersynchrone ».
On trouve également des MAS fonctionnant en alternateur dans l’éolien, car ces machines sont
moins sensibles à la variation de la vitesse du vent que les alternateurs synchrones.
9. Quelles sont les caractéristiques mécaniques des moteurs synchrone et asynchrone ?
La forme de la caractéristique mécanique d’un MAS est donnée ci-dessous. La partie utile est une droite
décroissante (comme pour la machine à courant continu).
Pour la MS, la vitesse de rotation est égale à la vitesse de synchronisme quel que soit le couple.
Attention cependant, si le couple est trop important, la machine peut « décrocher » ; c’est-à-dire que
le moteur cale (avec risque de surintensité).
A fréquence constante, la caractéristique mécanique d’un MS est donc une droite verticale :
En changeant la fréquence, on obtient une nouvelle vitesse de synchronisme, et une caractéristique
mécanique parallèle.
10. Comment faire varier la vitesse de ces 2 machines ?
Pour les 2 types de la machines, on peut utiliser le même variateur de vitesse (onduleur à V/F constant).
On obtient alors plusieurs caractéristiques sous forme de droites parallèles.
MAS :
MS :
11. Quel est le bilan de puissance d’un moteur synchrone ?
Les pertes joules :
 Au stator :
𝑷𝒋𝒔 = 𝟑𝑹𝑰𝟐 si couplage étoile ;
𝑷𝒋𝒔 = 𝟑𝑹𝑱𝟐 si couplage triangle ;
𝟑𝑹𝒎 𝟐
𝑰 quel que soit le couplage avec Rm résistance mesurée entre 2 phases.
𝟐
𝟐
 Si le rotor est bobiné, il faut ajouter 𝑷𝒋𝒓 = 𝑼𝒆 𝑰𝒆 = 𝒓𝑰𝒆
𝑷𝒋𝒔 =
12. Quel est le bilan de puissance d’un moteur asynchrone ?
Puissance transmise
au rotor
𝑃𝑡𝑟
𝑃𝑢 = 𝑇𝑢 Ω
𝑃𝑎 = √3𝑈𝐼𝑐𝑜𝑠𝜑
Pertes fer au
Pertes joules
Pertes
Pertes joules
stator
au rotor
mécaniques
au stator
𝑃𝑓𝑠
𝑃𝑗𝑟
𝑃𝑚é𝑐𝑎
𝑃𝑗𝑠
 Le moteur est le siège de pertes au stator :

les pertes joules au stator Pjs qui selon le couplage valent comme pour la machine
synchrone :
𝑷𝒋𝒔 = 𝟑𝑹𝑰𝟐 si couplage étoile ;
𝑷𝒋𝒔 = 𝟑𝑹𝑱𝟐 si couplage triangle ;
𝑷𝒋𝒔 =

𝟑𝑹𝒎 𝟐
𝑰 quel que soit le couplage avec Rm résistance mesurée entre 2 phases.
𝟐
Des pertes fer au stator :
𝑷𝒇𝒔
𝑽𝟐
=𝟑×
𝑹𝒇
 La puissance transmise au rotor :
On la nomme Ptr.
𝑷𝒕𝒓 = 𝑷𝒂 − 𝑷𝒋𝒔 − 𝑷𝒇𝒔
Comme pour la machine à courant continu, on définit le couple électromagnétique :
𝑷𝒕𝒓 = 𝑻𝒆𝒎 𝜴𝒔
Sur le schéma équivalent, c’est r/g qui rend compte de la puissance transmise au rotor :
𝑷𝒕𝒓 = 𝟑
𝒓 𝟐
𝑰′
𝒈
 Le moteur est le siège de pertes au rotor :

les pertes joules au rotor Pjr. On montre que :
𝑷𝒋𝒓 = 𝒈𝑷𝒕𝒓

des pertes mécaniques Pméca (les pertes fer au rotor sont négligeables)
Remarque :
Comme pour la machine à courant continu, on peut définir un couple perte tel que
alors :
𝑻𝒖 = 𝑻𝒆𝒎 − 𝑻𝒑
𝑃𝑚é𝑐𝑎 = 𝑇𝑝 𝛺.
On a
13. Comment interpréter la plaque signalétique d’un moteur asynchrone ?
La plaque signalétique comporte toujours deux tensions :
Tension composée pour un couplage triangle/Tension composée pour un couplage étoile.
Il suffit de regarder la tension composée du réseau pour savoir quel couplage il faut utiliser.
Exemple : Moteur 230V/400V


Pour un réseau 230V/400V, U=400V on utilise le couplage étoile.
Pour un réseau 130V/230V, U=230V on utilise un couplage triangle.
On peut également déduire le nombre de paires de pôles de la plaque signalétique.
En effet, comme
𝑛𝑠 =
60×𝑓
la vitesse ne peut prendre que quelques valeurs pour une fréquence
𝑝
donnée. Pour f=50hz, cela donne :
p
ns (tr/min)
1
3000
2
1500
3
1000
4
750
etc.
…
Or la vitesse de rotation du rotor nominale est toujours légèrement inférieure à la vitesse de
synchronisme. En lisant la vitesse nominale du rotor nN sur la plaque signalétique, on déduit, en utilisant
le tableau ci-dessus, la vitesse de synchronisme en prenant la plus petite valeur de n s supérieure à nN.
On en déduit la valeur du nombre de paires de pôles p correspondante.
Exemple de la plaque ci-dessus : nN=1427 tr/min donc ns=1500 tr/min et p=2