Cours Kerboua-52-77

Chapitre III
Caractéristiques de la Machine Synchrone
Cours de Machines Electriques à Courant Alternatif
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I. Introduction
La machine synchrone est une machine réversible de conversion électro-mécanique. Elle est
principalement utilisée dans le domaine de production d’énergie électrique à partir d'énergie
mécanique où elle porte le nom d’alternateur lorsque sa vitesse est fixe (exemple de centrale
thermique, hydraulique, nucléaire, etc). Lorsque sa vitesse est variable (exemple de centrale
éolienne), elle est dite génératrice synchrone. Elle est rarement utilisée dans le domaine de
production d'énergie mécanique à partir d'énergie électrique où elle porte le nom de moteur
synchrone car sa vitesse de rotation doit être proportionnelle à la fréquence d’alimentation.
Mais avec le développement de l’électronique de puissance, elle vient à occuper de plus en
plus une large place dans le domaine des entrainements réglées (exemple chaîne de traction
des TGV en France).
Notre étude de la MS est limitée aux cas des machines triphasées et une fréquence fixe des
tensions et courants statoriques.
II. Différents modes de fonctionnement de la machine synchrone
Afin de mieux constater les différents modes de fonctionnement de la MS, nous utilisons dans
ce qui suit, le diagramme le plus simple, qui est le diagramme de Behn-Eschenburg. Nous
supposons aussi que le signe positif des puissances et celui des puissances fournies car c’est le
fonctionnement le plus fréquent des MS (figure III.1). Il est aussi représenté le vecteur  au
lieu des deux vecteurs . et . pour que le diagramme soit moins encombrant.
Sur le diagramme simplifié, nous traçons l’axe (AP) qui forme un angle  (angle de charge)
avec l’axe (AM) et l’axe (AQ) perpendiculaire à l’axe (AP) (Figure III.2). La projection du
point M, qui représente le mode de fonctionnement de la MS, donne dans une échelle de
tension les puissances active et réactive débitées ou absorbées.
- La projection du point de fonctionnement M, sur l’axe (AP) donne le point ′ tel que :
=.., ce qui donne la puissance active crée ou absorbée = 3. .
- La projection du point de fonctionnement M, sur l’axe (AQ) donne le point A tel que :
=.., ce qui donne la puissance réactive crée ou absorbée = 3. .
L’axe (AP) est dit l’axe de puissance active et l’axe (AQ) est dit l’axe de puissance réactive.
Figure III.1. Choix du sens positif de l’écoulement des puissances et le diagramme simplifié de Behn-Eschenburg
,
,
O
A
M
.
.

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Le point de fonctionnement peut se situer dans un des quatre quadrants selon le signe des
puissances active réactive.
Quadrant  : > 0 et > 0
La MS fournie la puissance active désignant qu’elle fonctionne comme alternateur. En plus,
elle fournie la puissance réactive au récepteur branché à ces bornes.
Quadrant  : > 0 et < 0
La MS fournie la puissance active désignant qu’elle fonctionne comme alternateur. Mais, elle
absorbe la puissance réactive depuis le récepteur branché à ces bornes.
Quadrant  : < 0 et > 0
La MS absorbe la puissance active désignant qu’elle fonctionne comme moteur. Mais, elle
fournie la puissance réactive à la source branché à ces bornes.
Quadrant  : < 0 et < 0
La MS absorbe la puissance active désignant qu’elle fonctionne comme moteur. En plus, elle
absorbe la puissance réactive depuis la source branchée à ces bornes.
O
A
M
Figure III.3. Représentation du fonctionnement dans les quatre quadrants électriques
Quadrant 
O
A
M
P
Q
Quadrant 
P
Q
O
A
M
P
Q
Quadrant 
O
A
M
P
Q
Quadrant 
Figure III.2. Représentation des axes des puissances dans le diagramme Behn-Eschenburg
A
M
Q
O
P

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La capacité à fonctionner dans les quatre quadrants électriques est une des particularités de la
machine synchrone. Il est en effet possible de rendre à volonté la machine inductive ou
capacitive, que ce soit en fonctionnement moteur ou alternateur. Il suffit pour cela d’agir sur
l’amplitude de la f.é.m, c’est à dire sur le courant d’excitation.
III. Caractéristique en charge de l’alternateur isolé
Afin de prédéterminer les caractéristiques de l’alternateur, nous utilisons le diagramme de
Behn-Eschenburg. Le fonctionnement de l’alternateur est caractérisé par un ensemble des
grandeurs à savoir le courant d’excitation (ou bien la f.é.m à vide), la tension à ces bornes, le
courant de charge (amplitude et déphasage) et la vitesse de rotation. Lors de l’étude de la
variation d’une grandeur en fonction d’une autre, il faut fixer le reste des grandeurs à ces
valeurs nominales.
III. 1. Caractéristique externe ()
A la vitesse de rotation nominale et une excitation constante (la f.é.m à vide constante), il
existe une caractéristique () pour chaque déphasage  du courant par rapport à la tension
(facteur de puissance). Lorsque l’alternateur alimente une charge variable, il y’aura une chute
de tension interne due à la résistance et à la réactance synchrone. Afin de mieux constater
cette chute de tension, nous traçons le diagramme vectoriel donnant le vecteur 
 partant du
vecteur ., puis le vecteur ., ensuite le vecteur 
 en supposant que le courant  est
horizontal. Pour une f.é.m constante, le point de fonctionnement doit se déplacer selon un
cercle de rayon  et de centre O (Figure III.4).
Les courbes suivantes ont été tracées afin de mettre en évidence la variation de la chute de
tension en fonction de la nature du circuit alimenté.
Pour une charge résistive, Nous remarquons que la chute de tension s’accroit avec la
croissance du courant de charge. Cette chute est la somme d’une chute résistive due la
résistance interne du bobinage statorique et une chute inductive de la réactance synchrone due
à la réaction magnétique d’induit.
.
.
O
M
 = 0.6 
 = 0.8 
 = 1
 = 0.8 
 = 0.6 
Figure III.4. Représentation vectorielle du fonctionnement à vitesse et excitation constantes pour
différentes valeurs du facteur de puissance

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Sur charge inductive, l’allure de la courbe s’explique de la même façon que pour la charge
résistive. La seule différence réside dans celle de la chute inductive. Pour une charge
inductive, la réaction d’induit est longitudinale démagnétisante (en opposition avec le flux
inducteur). Le flux résultant sera donc plus faible diminuant automatiquement la valeur de la
tension aux bornes de la machine.
Sur charge capacitive, nous retrouvons aussi la chute de tension résistive allant dans le sens de
réduire la tension aux bornes de la machine. Cependant, la chute de tension du à la réaction
d’induit complètera la première. Pour une charge capacitive, la réaction d’induit est
longitudinale magnétisante (de même sens que le flux inducteur). Le flux rotorique résultant
sera donc plus important en augmentant automatiquement la valeur de la tension aux bornes
de l’alternateur.
III. 2. Caractéristique de réglage ()
Ces courbes peuvent être déduites directement du diagramme de la figure III.4 et les courbe
de la caractéristique externe. Afin de maintenir une tension aux bornes de l’alternateur
constante, nous devons ajuster pour chaque variation de charge, la valeur du courant
d’excitation. Cette variation sera donc d’autant plus importante que la somme des différentes
chutes de tension sera élevée (Figure III.6).
Pour une charge résistive, Nous devons donc créer plus de f.é.m afin de compenser la chute de
tension ohmique de la résistance interne du bobinage statorique et la chute de tension due à la
réaction d’induit. Comme ces deux chutes de tension vont dans le sens de réduire la f.é.m,
nous, nous devons toujours augmenter le courant d’excitation.
Sur charge inductive, l’allure de cette courbe est du même type que pour la charge résistive si
ce n’est que l’augmentation du courant d’excitation doit être plus importante pour chaque
Figure III.5. Courbes de variation () à vitesse et excitation constantes pour différentes valeurs du facteur de
puissance
()
()
 = 0.8 
 = 0.6 
 = 0.6 
 = 0.8 
 = 1