Prof. Mourad ZEGRARI

Prof. Mourad ZEGRARI
Plan
Principe.
Constitution.
Bobinage des enroulements.
Production de la force électromotrice.
Alternateur Synchrone à Pôles Lisses.
Alternateur Synchrone à Pôles Saillants.
Couplage de l’alternateur au réseau.
Moteur Synchrone.
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
2
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Alternateur Synchrone
E Couplage de l’alternateur au réseau
F
© M. ZEGRARI
Moteur Synchrone
Machines
Synchrones
3
Présentation
Convertisseur électromécanique réversible :
Moteur
Energie
Electrique
Machine
Synchrone
Energie
Mécanique
Alternateur
Alternateur : production de l’énergie électrique (Centrales électriques)
Moteur Synchrone : entraînement électromécanique, production de
l’énergie réactive (compensateur synchrone).
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Machines
Synchrones
4
Principe : Génératrice Synchrone
Un système inducteur (aimant) tournant à la vitesse Ωs, crée dans une
armature triphasée, trois tensions induites triphasées équilibrées, de
valeur efficace et de pulsation ωs telle que :
ω φ
Avec : ωs = Ωs
: nombre de paires de pôles.
φ : flux efficace sous un pôle.
Le système inducteur peut être :
Un aimant permanent.
(a)
(c)
Ωs
N
S
(b)
B
Un électro-aimant.
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A
C
Machines
Synchrones
5
Exemple 2.1 : Alternateur bipolaire
Nombre de pôles : 2
Soit : p = 1
Forces électromotrices triphasées équilibrées :
ω φ
ω
(a)
Ω
Ea
Ωs
Ω
Eb
φr
Ec
N
S
t
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(c)
Machines
Synchrones
(b)
6
Principe : Moteur Synchrone
On alimente l’armature triphasée du stator par un système de courants
équilibrés de pulsation ωs. On retrouve deux f.m.m. :
Une f.m.m. Fs tournante au stator.
Une f.m.m. Fr au niveau du rotor.
Le couple électromagnétique s’écrit :
=
∧
=
[(ω
−ω
)
+θ
]
Ce couple possède une valeur moyenne nulle. On doit impérativement
mettre en place un dispositif spécial de démarrage.
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Machines
Synchrones
7
Vitesse de synchronisme
La machine synchrone est caractérisée par sa vitesse constante :
Ω =
ω
: Vitesse de synchronisme.
Ωs = π
: Vitesse de rotation synchrone (rad/s)
ωs = π
: Pulsation des courants induits (rad/s)
: Nombre de paires de pôles.
La vitesse du rotor est souvent indiquée en tr/mn :
(
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)
=
×
(
)
=
×
Machines
Synchrones
8
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Alternateur Synchrone
E Couplage de l’alternateur au réseau
F
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Moteur Synchrone
Machines
Synchrones
9
Constitution
Partie fixe Stator : contient les enroulements induits.
Partie mobile Rotor : contient le circuit inducteur.
Organes mécaniques et magnétiques.
Rotor
Stator
Arbre
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Machines
Synchrones
10
Stator
Stator
Monophasé
1
Biphasé
2
Triphasé
3
Un seul
enroulement
Deux
enroulements
décalés de
π
×
Trois
enroulements
décalés de
π
×
p : Nombre de paires de pôles
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Machines
Synchrones
11
Rotor
Rotor
Sans Excitation
P < 1 kW
Avec Excitation
P > 1 kW
Electroaimants
Enroulement
alimenté en
continu par
des balais.
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Aimants
permanents
Réluctance
variable
À Hystérésis
Principe
attraction /
répulsion des
aimants.
Le rotor se
positionne de
façon à
minimiser la
réluctance.
Rotor massif
se polarise à
l’approche du
synchronisme
Machines
Synchrones
12
Types de Rotors
Rotor
Rotor Lisse
Pôles Saillants
- Grande robustesse
- Construction difficile.
- Alternateurs à grandes vitesse
- Grand nombre de pôles
- Construction facile.
- Alternateurs à petites vitesse
Grandes vitesse
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Petites vitesses
Machines
Synchrones
13
Rotor à Pôles Lisses
Insertion d’un rotor à pôles
lisses dans le stator d’un
turbo-alternateur.
Disposition des encoches
dans un rotor à pôles
lisses.
Encoches destinées loger les
enroulements de l’inducteur.
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Machines
Synchrones
14
Rotor à Pôles Saillants
Rotor à 4 pôles (p = 2)
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Rotor à 6 pôles (p = 3)
Machines
Synchrones
15
Systèmes d’excitation
L’alimentation en courant continu du rotor peut être assurée par :
Génératrice à courant continu à auto-excitation (type shunt).
Excitatrice statique à auto-excitation sur les tensions à vide induites
par le flux rémanent.
Alternateur auxiliaire à aimants permanents monté sur l’arbre de la
turbine.
Système d’urgences avec batterie d’accumulateurs.
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Machines
Synchrones
16
Excitation avec Génératrice CC
Turbine
Alternateur
Excitatrice CC
GS
G
Inducteur
Induit
Rotor
Stator
Groupe Alternateur-Excitatrice
entraînées par la même turbine.
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Synchrones
17
Auto-Excitation avec Excitatrice Statique
Excitatrice Statique
Bagues
Balais
Redresseur
Commandé
Alternateur
Turbine
GS
Parties
tournantes
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Transformateur
Abaisseur
Us
Parties
fixes
Machines
Synchrones
18
Types de centrales
On distingue :
Centrales thermiques avec turbines à vapeur de grandes vitesses.
Centrales hydrauliques avec turbines de basses vitesses.
Exemples de centrales :
Caractéristiques
s
(Hz)
p
S
Ns
Us
Diamètre
Masse Longueur
(tr/mn)
(MVA)
(kV)
(m)
(t)
(m)
Turboalternateurs
50
2
1500
1530
27
1.8
204
7.5
Alternateurs
hydrauliques
60
18
200
500
24
9.2
600
2.35
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Machines
Synchrones
19
Centrale Thermique
6
4
7
1
5
8
9
2
10
3
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Chaudière
Brûleurs
Combustible
Ballon
Cheminée
Turbine
Alternateur
Pompe
Condensateur
Eau de refroidissement
Circuit eau-vapeur
Schéma d’une centrale à flamme
Rotor d’une turbine
à vapeur.
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Machines
Synchrones
20
Centrale Hydraulique
Turbine Francis
Moyenne chute :
30 à 750 m
Structure d’une Centrale Hydraulique.
Descente du rotor dans une
centrale Hydraulique
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Machines
Synchrones
21
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Alternateur Synchrone
E Couplage de l’alternateur au réseau
F
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Moteur Synchrone
Machines
Synchrones
22
F.m.m. d’une phase : cas d’une bobine
Une bobine de spires est
parcourue par un courant
électrique d’intensité .
F(θ)
La force magnétomotrice s’écrit :
(θ ) = ±
+ (n /2)
- (π/2)
+ (π/2)
θ
- (n /2)
F.m.m. résultante périodique.
Harmoniques de fréquences élevées (pertes magnétiques).
Production d’une f.é.m. non sinusoïdale.
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Machines
Synchrones
23
F.m.m. d’une phase : cas de sous-bobines
On divise la bobine en plusieurs sous-bobines :
F(θ)
F.m.m. initiale
à 2 encoches
2π
Effets des encoches :
La courbe F(θ) est plus proche de la sinusoïde.
La valeur efficace de la f.m.m. est réduite : Coefficient de bobinage.
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Machines
Synchrones
24
θ
F.m.m. tournante : Champ bipolaire
Trois bobines identiques de
spires décalées de 2π/3 ;
Parcourues par des trois courants triphasés équilibrés (ωs).
( )=
(ω )
( )=
ω −
( )=
ω −
ia
M
π
π
(a)
(c)
(b)
ib
Création d’une f.m.m. tournante :
(θ ) =
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(ω − θ ) : Théorème de Ferraris
Machines
Synchrones
A
ic
B
C
25
F.m.m. tournante : Champ multipolaire
Pour créer une armature triphasée à (
) pôles :
Chaque phase comporte ( ) groupes de bobines.
L’ouverture angulaire des bobines est (π ).
Les bobines des phases deviennent décalées de ( π
).
La force magnétomotrice résultante devient :
(θ ) =
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(ω
− θ)
Machines
Synchrones
26
Bobinage des machines synchrones
Performances d’un bobinage :
Capter le maximum du flux généré par les pôles du rotor.
Obtenir une répartition sinusoïdale du flux capté par phase, en filtrant
la distribution spatiale de l’induction dans l’entrefer.
Réalisation des bobinages :
Chaque phase →
bobines.
Chaque bobine → ensemble de
sections.
Pour atténuer les harmoniques, on
varie la largeur des sous-bobines.
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Machines
Synchrones
27
Caractéristiques de bobinage
On désigne :
: Nombre total d’encoches.
: Nombre d’encoches par pôle et par phase.
Pour une machine à
=
pôles et
phases :
×
Angle mécanique (décalage entre deux encoches) :
Angle électrique (déphasage entre tensions induites) :
Pas polaire (angle entre deux pôles consécutifs) :
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Machines
Synchrones
β=
π
β=
α=
π
× ×
=
π
×
π
=
π
28
Exemple 2.2 : Bobinage avec
=4
Machine triphasée tétrapolaire (4 pôles) avec :
β
N
π
• Décalage entre encoches : β =
• Décalage électrique :
• Pas polaire : α = π = π
© M. ZEGRARI
× ×
β=
=
π
π
π
=
×
Machines
Synchrones
29
Répartition de l’induction dans l’entrefer
Répartition rectangulaire de
l’induction dans l’entrefer.
B
θ
φ
Répartition triangulaire du flux
(bobinage à pas diamétral).
φ
Répartition "sinusoïdale" du flux
(bobinage réparti à pas raccourci).
t
t
Le raccourcissement du pas de bobinage et la répartition des bobine filtrent
les harmoniques de la répartition spatiale du flux inducteur dans l’entrefer.
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Machines
Synchrones
30
F.é.m. produite par une spire
Chaque spire induit une f.é.m.
( )= −
#φ( )
#
!
telle que :
Cette f.é.m. admet une valeur efficace
=ω
φ
= π
!
:
φ
Si on désigne par " le nombre de conducteurs par phase, le nombre
de spires " s’écrit :
"
" =
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Machines
Synchrones
31
Coefficient de bobinage
Influence de la répartition des bobinages sur la tension induite :
2
1
3
4
θ
θ
e1
La f.é.m. résultante est telle que :
e2
Machines
Synchrones
e4
=$
Le coefficient de bobinage est défini par : $ =
© M. ZEGRARI
e3
=
(
×
× β
( β
)
)
32
F.é.m. produite par une phase
Pour calculer la f.é.m. produite par phase, il faut multiplier ! par le
nombre de spires tout en considérant le coefficient de bobinage % :
=% ×
"
La valeur efficace
= %
π
×
=% ×
"
× π ×
φ
produite par phase devient :
× "×
× φ = % × "×
×φ
% : Coefficient de Kapp (avec : % = 2.22 × % )
" : Nombre de conducteurs actifs par phase.
: Fréquence des courants statoriques.
φ : Flux maximal sous un pôle.
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Machines
Synchrones
33
Exemple 2.3 : Calcul de la f.é.m.
(1/2)
Un alternateur triphasé tétrapolaire possède comme caractéristiques :
Enroulement inducteur : flux utile sous un pôle φm = 42 mWb
Enroulement induit : 288 conducteurs répartis sur 36 encoches
Vitesse de rotation du rotor : Ns = 1500 tr/min
Calculer :
• La fréquence des tensions induites.
• Le coefficient de bobinage : %
• La valeur efficace de la force électromotrice produite par phase.
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Machines
Synchrones
34
Exemple 2.3 : Calcul de la f.é.m.
(2/2)
Calcul de la fréquence de la tension produite :
=
×
=
×
=
×
)
=) *+
Calcul du coefficient de bobinage :
Nombre d’encoches par pôle par phase :
Décalage électrique :
β=
π
×
Coefficient de bobinage : % =
=
(
×
π
&
× β
( β
)=
)
=
×
=
×
=
( × π ()
= '&
× (π ( )
Calcul de la force électromotrice produite par phase :
= %
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π
×"×
×φ =
'& × π
×
((
×) × '
Machines
Synchrones
=
35
Expression généralisée de la f.é.m.
La fréquence , étant liée à la vitesse de rotation Ωs par la relation :
=
ω
=
π
La valeur efficace
Ω
π
peut être donnée par la relation suivante :
= % × "×
Ω
×φ
π
= %×φ × Ω
% : Constante de la machine.
φ : Flux maximal sous un pôle (Wb).
Ωs : vitesse de rotation (rad/s)
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Machines
Synchrones
36
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Alternateur Synchrone
E Couplage de l’alternateur au réseau
F
© M. ZEGRARI
Moteur Synchrone
Machines
Synchrones
37
Fonctionnement à vide
On relève, pour une vitesse constante, l’évolution de la tension par
phase du stator, en fonction du courant inducteur au rotor :
E
Courbe similaire à celle de la
caractéristique magnétique.
Enom
La tension nominale est en
général située dans le coude
de la caractéristique.
Ω
Erém
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Machines
Synchrones
Constante
r
38
Fonctionnement en charge
Le stator débite un courant dans une charge équilibrée ; il y a donc
superposition de deux forces magnétomotrices :
Force magnétomotrice du rotor : Fr
Force magnétomotrice du stator : Fs $
(nr : nombre de spires inducteur)
(k : coefficient de la machine)
La f.m.m. résultante F est telle que :
F = Fr + Fs
: Somme vectorielle
Le flux résultant φ s’écrit alors :
φ φ -φ
: Réaction Magnétique de l’Induit.
Conséquence : Atténuation du flux utile.
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Machines
Synchrones
39
Modèle monophasé équivalent
L’expression de la tension aux bornes du stator est :
./0
jXs
s
.1
Er
Rs
2
Er
E
Vs
ϕ
Vs
Xs
Rs
s
s
ψ
s
V : tension simple (phase-neutre) du stator.
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Machines
Synchrones
40
Détermination du Modèle
Cas pratique
L’alternateur alimente une charge ( ,
ϕ) sous une tension
.
Objectifs
Prédéterminer un point de fonctionnement donné.
Réaliser une régulation de la tension
par action sur le courant
ϕ.
inducteur suivant les conditions de charge et
Solution
Déterminer les paramètres 1 et 0 du modèle monophasé.
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Machines
Synchrones
41
Essais à puissance réduite
Caractéristique à
vide réelle
Caractéristique à vide :
On réalise un essai à vide en entraînant la machine
à sa vitesse nominale Ωsn.
A
On linéarise cette courbe autour des valeurs
% 3'
nominales :
Caractéristique en court-circuit :
4
On réalise un essai en court-circuit à la vitesse
nominale.
La caractéristique est linéaire :
Caractéristique
à vide linéaire :
O
%'
B
Mesure en courant continu
On alimente un enroulement du stator par un
courant continu nominal.
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
Caractéristique
en court-circuit :
O
42
Détermination des paramètres du Modèle
Détermination de
Elle est effectuée par la mesure en régime continu :
1 =
( 56 )
( 56 )
Avec
56
: courant statorique continu correspondant à
Détermination de
jXs
On détermine la f.é.m. en court-circuit :
%3'
On calcule la réactance par phase :
0 =
© M. ZEGRARI
−1 =
%3
Ercc
scc
.
Rs
Courtcircuit
−1
Machines
Synchrones
43
Fonctionnement de l’alternateur
Alternateur
Réseaux
indépendants
Réseaux
interconnectés
• Renforcement du
réseau électrique.
• Alternateur isolé
• Débit sur charges
électriques.
• Gestion de la
production d’énergie.
• Groupe électrogène.
© M. ZEGRARI
• Dispatching.
Machines
Synchrones
44
Fonctionnement sur réseau indépendant
Réseau d’urgence : Groupe
Électrogène à Centrale Diesel.
Régulateur
de Tension
Excitatrice
Couplage
mécanique
' 4,
'
Moteur
d’entraînement
Charge
Électrique
GS
Ω
Alternateur
,'
, ' 4,
Régulateur
de Fréquence
Actionneur
Admission
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
45
Expression de la tension de sortie
La force électromotrice à vide
-1
de l’alternateur s’écrit :
jXs
-/0
s
s
ϕ
=(
+1
La tension de sortie
=
Avec 7 ∆
© M. ZEGRARI
ϕ+0
Rs
s
ϕ ) + (0
ϕ−1
s
ϕ)
peut se mettre sous la forme :
−∆
1 80 8 8
ϕ : chute de tension totale au stator
Machines
Synchrones
46
Caractéristique de sortie (sans régulation)
Courbe de variation
à
ϕ et
constants :
ϕ
ϕ
ϕ
7 9 :
3 '
ϕ
7 9 :
3 '
ϕ
#;
7 9 :
3 '
4
ϕ
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
47
Caractéristique de régulation
Courbe de variation
ϕ
à tension
constante :
ϕϕ
ϕ
ϕ
: charge
capacitive.
ϕ
ϕ
7 charge
inductive.
ϕ
© M. ZEGRARI
ϕ
7 charge
résistive.
Machines
Synchrones
48
Décalage des forces magnétomotrices
Ω
Ω
Tem
F
Tem
Fr
Fr
F
θ
θ
Fs
Fs
Marche en Alternateur
F exerce un couple résistant sur Fr
© M. ZEGRARI
Marche en Moteur
F exerce un couple moteur sur Fr
Machines
Synchrones
49
Bilan des puissances : Alternateur
Puissance
Électromagnétique
Puissance
Mécanique
Moteur
d’entraînement
Alternateur
Tm
Ωs
Arbre
Pertes
Mécaniques
© M. ZEGRARI
Rotor
Pertes Fer
Machines
Synchrones
Tem
Stator
Puissance
Électrique
Charge
Électrique
Pertes
Joules
50
Rendement de l’alternateur
Le rendement s’écrit :
η=
=
ϕ+
4
ϕ
+
,
+
/
'Ω : puissance mécanique absorbée par l’alternateur.
<
ψ : puissance électromagnétique convertie.
'Ω
<
ϕ : puissance électrique utilisée par la charge.
<
: pertes magnétiques (dans le fer).
,
4
/
<
<
=
<
< +
: pertes mécaniques.
/
-
/
7
/
© M. ZEGRARI
1
/
1
= : pertes par effet Joules au stator.
= : pertes par effet Joules au rotor.
Machines
Synchrones
51
Expression du couple électromagnétique
La puissance électromagnétique <
ψ
'Ω
<
s’écrit :
Si on néglige la résistance 1 de la machine :
<
< -
/
≈<
/
≈0
ϕ
Le couple électromagnétique s’écrit :
=
<
Ω
=
ϕ
Ω
=
ω
ϕ
D’après le diagramme vectoriel des tensions :
D’où :
© M. ZEGRARI
=
ω
'
0
ϕ
θ
θ
0
Machines
Synchrones
52
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Alternateur Synchrone
E Couplage de l’alternateur au réseau
F
© M. ZEGRARI
Moteur Synchrone
Machines
Synchrones
53
Fonctionnement sur réseau infini
Réseau infini
Ensemble d’alternateurs de grande puissance connectées en parallèle.
Accrochage de l’alternateur
Opération de connexion de l’alternateur au réseau électrique.
Conditions d’accrochage
Mêmes fréquences.
Égalité des valeurs efficaces des tensions.
Même séquences des phases.
Déphasage nul à l’instant d’accrochage.
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
54
Opération de couplage
Réseau infini
A
B
C
Interrupteur
K
>
Réglage du
couple moteur
Moteur
d’entraînement
Réglage du courant
d’excitation
Er
GS
Excitatrice
Ω
Alternateur
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
55
Séquences de phases
Bonne Séquence
Mauvaise Séquence
ωs
>6
ωs
6
6
@
6
>6
?
?
>@
>?
@
>?
6
?
?
>@
@
@
• Feu battant : les trois lampes s’allument
et s’éteignent en même temps.
• Fermer l’interrupteur K quand les trois
lampes son éteintes.
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
• Feu tournant : les trois lampes
s’allument alternativement.
• On doit inverser deux phases de
l’alternateur.
56
Grandeurs de réglage
Une fois l’alternateur est couplé au réseau, on peut régler :
Le couple du moteur d’entraînement
Cette grandeur permet de régler la puissance active fournie par
l’alternateur au réseau. La vitesse Ωs est maintenue constante par
l’asservissement de fréquence imposé par le réseau infini.
Le courant d’excitation
Cette grandeur permet de régler l’échange de puissance réactive
entre l’alternateur et le réseau. La tension de sortie
est maintenue
constante par l’asservissement de tension imposé par le réseau infini.
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
57
Échange de puissances
Réseau infini
A
B
C
Q
Moteur
d’entraînement
Réglage de la
Puissance Active
P
GS
Ω
Alternateur
Réglage de la
Puissance Réactive
Commande
Excitatrice
Actionneur
© M. ZEGRARI
Excitatrice
Machines
Synchrones
58
Diagramme des puissances
On néglige la résistance 1 du stator :
P
Er
-/0
ϕ
0
ϕ
jXs
ϕ
s
Q
O
0
s
s
ϕ
A< = 0
ϕ=0
<
OQ représente la puissance réactive : AB = 0
ϕ=0
B
OP représente la puissance active :
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
59
Réversibilité de l’alternateur
s
constante
r
constant
Ωs constante.
Era
Er constante.
Alternateur
ωs
jXs
s
a
s
m
jXs
s
Moteur
Le signe de θ indique le mode de fonctionnement.
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
Erm
60
Plan
A
Principe
B Constitution
C
Bobinage
Production de la f.é.m.
D Alternateur Synchrone
E Couplage de l’alternateur au réseau
F
© M. ZEGRARI
Moteur Synchrone
Machines
Synchrones
61
Moteur Synchrone
C’est un convertisseur électromécanique d’énergie.
Les trois bobines du stator sont alimentées par un système triphasé
de courants équilibrés de pulsation ωs.
Le rotor excité par un courant continu
r
est entraîné à une vitesse
constante Ωs de synchronisme.
Ω =
ω
: nombre de paires de pôles.
© M. ZEGRARI
Machines
Synchrones
62
Avantages du Moteur Synchrone
Excellent rendement, notamment pour les grandes puissances.
Vitesse de rotation constante (aspect synchrone).
Fonctionnement optimal à facteur de puissance unitaire.
Réglage linéaire de la puissance : < %
Compensateur de l’énergie réactive.
Possibilité de branchement direct à des tensions élevées.
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Machines
Synchrones
63
Utilisation du Moteur Synchrone
Grandes puissances avec des vitesses faibles.
(Exemple : broyeur de minerais 6.4 MW avec p = 22)
Faibles puissances : moteurs d’horloge ou programmateurs.
Entraînements à vitesse variable : associés aux convertisseurs
d’électronique de puissance.
Moteurs synchrones à aimants permanents sans contacts
mécaniques tournants (bagues et balais).
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64
Inconvénients du Moteur Synchrone
Sensibilité aux harmoniques de la tension.
Nécessité de prévoir une excitatrice
Surveillance régulière contre le risque de décrochage.
Couple de démarrage nul :
=
∧
=
Au démarrage : ωr = 0
Problème :
[(ω
−ω
)
+θ
]
Tem sinusoïdal de moyenne nulle.
Démarrage direct impossible par mise sous tension.
Solution : Prévoir une procédure spéciale de démarrage.
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65
Démarrage des moteurs synchrones
Deux procédures sont généralement appliquées :
Démarrage par accrochage au réseau
Le moteur, sans charge mécanique, est entraînée par un moteur auxiliaire de faible
puissance. Une fois l’accrochage réalisé, la charge mécanique est embrayée sur
l’arbre du moteur.
Démarrage en asynchrone : rotor court-circuité
Le moteur est alimenté sous une tension réduite comme pour un moteur asynchrone,
l’enroulement inducteur est connecté à une grande résistance pour réduire les
courants induits au démarrage. Ces courants permettent de démarrer la machine. Une
fois que la vitesse approche celle de synchronisme, on alimente le rotor par un courant
continu r. L’accrochage est réalisé avec un transitoire de courant minimal.
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Modèle du moteur synchrone
Le modèle monophasé équivalent déjà étudié reste toujours valable
pour un fonctionnement en moteur.
On adopte la convention récepteur :
-1
-/0 -1
jXs
s
Er
E
Rs
E R
s
ϕ
s
2
ψ
jXs
s
s
s
Er
s
La f.é.m. en charge E est déphasée en avant de la f.é.m. à vide Er.
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Diagramme vectoriel des flux
L‘équation instantanée des tensions s’écrit :
=>
#
+
#
En convention récepteur, la loi de Faraday s’écrit :
#φ
=
#
#φ
=
#
φ
φ =>
L’équation des flux est :
φ=φ +φ
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θ2
φ
ψ
θ2
E
Rs
s
s
jXs
s
Er
s
φ
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Modes de fonctionnement
Mode sur-excité
Mode Fp = 1
élevé
Er >> Vs
s est en avance sur Vs
Moteur ⇔ Condensateur.
Mode sous-excité
optimal
Er > Vs
s est en phase avec Vs
Moteur ⇔ Résistance.
r
faible
Er < Vs
s est en retard sur Vs
Moteur ⇔ Inductance.
r
P
r
P
P
s
ϕ AV
Q
s
jXs
s
Le moteur produit Q.
Compensateur synchrone.
Q
s
jXs
s
Er
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ϕ=0
Q=0
Consommation minimale.
Q
s
jXs
s
Er
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ϕ AR
s
s
Er
Le moteur consomme Q.
Consommation élevée.
69
Courbes de Mordey (V)
On relève les courbes de variation
à puissance constante :
Décrochage
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Bilan des puissances : Moteur
Puissance
Électrique
Alimentation
Électrique
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Puissance
Électromagnétique
Puissance
Mécanique
Moteur Synchrone
Stator
Rotor
Pertes
Joules
Pertes Fer
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Tem
Tm
Arbre
Ωs
Charge
Mécanique
Pertes
Mécaniques
71
Rendement du moteur
Le rendement s’écrit :
<
η=
<
ϕ−
=
C
4
−
,
−
/
ϕ
4
'Ω : puissance mécanique utile sur l’arbre du moteur.
<
ψ : puissance électromagnétique convertie.
'Ω
<
ϕ : puissance électrique absorbée par le moteur.
<
: pertes magnétiques (dans le fer).
,
4
/
<;
=
<
: pertes mécaniques.
/
-
/
7
/
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1
/
1
= : pertes par effet Joules au stator.
= : pertes par effet Joules au rotor.
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72
Couple électromagnétique
L’expression du couple électromagnétique est donnée par :
=
ψ
<
=
Ω
Ω
=
ω
ψ
Si on néglige la résistance 1 de la machine :
<
≈<
ψ≈
soit :
ϕ
D’après le diagramme vectoriel des tensions :
ϕ
0
θ
L’expression du couple devient :
=
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ω
'
θ
0
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73
Stabilité du moteur synchrone
En régime permanent, le couple résistant Tr de la charge mécanique doit rester inférieur
ou égal au couple maximal Tmax (θ = π/2) :
Tem
F
=
ω
'
Tmax
0
A1
A2
Tr
Si Tr > Tmax : Décrochage du moteur.
Synchronisme rompu
couple moyen nul.
θ1
Arrêt du groupe.
θ2
π
θ
2 positions d’équilibre :
Problème :
point A1 (θ D π ) : Équilibre stable.
Point A2 ( θ E π 7 Équilibre instable.
Phénomène dangereux dans le cas
des engins de levage par exemple.
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π
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