2010-2011   Mohamed ELLEUCH   1
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Stator d’alternateur2010-2011         Mohamed ELLEUCH   13
Rotorcircuit tournant (rotor), portant les pôles inducteurs, produisant le   champ magnétique tournant et qui sont à base:...
L’amélioration des caractéristiques des                  alternateursElle résulte:• d’d’une augmentation progressive de l’...
Structure des rotorsLe rotor, à aimants permanents ou à enroulement excité en courant continu,   se présente sous 2 formes...
Rotor électroaimant2010-2011        Mohamed ELLEUCH   17
Alimentation d’enroulements de la    Roue Polaire ( g                 (bagues/balais)                               ) Bagu...
Rotor à aimants permanents              Coupe transversale d’une machine             synchrone: inducteur à aimants (rotor...
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Alternateur à pôles lisses                       pSi l ’alternateur est entraîné par une turbine à vapeur ou à gaz, ilfonc...
Exemple d’alternateur à pôles lisses               Rotor d’un alternateur de centrale nucléaire (1250 MVA)L alternateurL’a...
Alternateur à pôles saillants                      p  Si la vitesse est plus faible ce qui est le cas avec certaines turbi...
Rotor à pôles saillants                    p2010-2011          Mohamed ELLEUCH    24
Utilisation• Ce type d’alternateur est utilisé, pour des puissances  apparentes de quelques kVA jusquà environ 800  MW, da...
Alternateurs Hydrauliques  Ils fournissent une partie de l’énergie du réseau national (0,2% en Tunisie).                  ...
Organisation du Stator  Le stator f ll é est constitué par une couronne d tôles               feuilleté              é    ...
Les turbos alternateurs modernes  Puissance allant d quelques di i  P i        ll t de    l     dizaines d MW j           ...
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Caractéristique à vide A vide, le stator couplé en étoile, linduit ne débite aucun courant. Le rotor est entraîné à la vit...
Réaction Magnétique de L’induitSi cet alternateur débite dans une charge triphasée Si t lt       t    débit d          h  ...
Etude de la RMI   Le champ tournant de la RMI                                     Phase 1                                 ...
Diagramme de la réactance synchrone                (Behn Eschunburg)  Eo désigne la fém induite à         g               ...
Paramètres Xs et R en %                Xs% = 100 Xs (Ω)/Zb(Ω) ;avec                Zb(Ω) = (Un)² / Sn• Xs% est généralemen...
Détermination de la réactance synchroneOn détermine Xs en relevant à fréquence constante Ω:- la caractéristique à vide Eo(...
Détermination de XsLors de l’essai en court-circuit, la roue polaire entrainée à Ω,est alimentée par Ie.En commençant avec...
Détermination de Xs• Connaissant la résistance R d’un enroulement (mesurée à  chaud), on tire alors la valeur de Xs par la...
COUPLAGE DUN ALTERNATEUR SUR                UN RESEAU• En général, les centrales p      g       ,              productrice...
Montage de laboratoire pour le couplage de             l’alternateur sur le réseau                      Contrôle de la    ...
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STABILITE DE L’ALTERNATEUR                  ACCROCHE AU RESEAU   P = 3 V Eo sinθ / Xs   En négligeant les pertesdans lalte...
Condition sur l’angle interne• le fonctionnement est stable si et seulement si θ  augmente lorsque Cr augmente.     g     ...
Couple synchronisantPour obtenir une bonne stabilité, on doit avoir un  couple synchronisant Cs important >0.       p    y...
Réversibilité de la machine synchrone• Accrochée au réseau, la machine synchrone passe dun  fonctionnement générateur à un...
Fonctionnement en génératrice  La roue polaire est en avance dun écart angulaire θ sur les pôlesrésultants qui tendent à f...
Fonctionnement en moteurLa roue polaire va être freinée par la charge mécanique. Les pôles de laroue polaire seront retard...
Cem = Pm/Ω = -3VEO sinθ/(XsΩ)                            (   )2010-2011      Mohamed ELLEUCH      49
DEMARRAGE D UN MOTEUR SYNCHRONEOn alimente linduit dun moteur synchrone, la roue               l induit d un      synchron...
Procédés de démarrageAccrochage au réseau• On entraîne la machine en alternateur à vide grâce à un  moteur auxiliaire jusq...
Démarrage à fréquence progressive  Les problèmes de démarrage ne se posent pas dans le casd ’un moteur alimenté par un ond...
Compensateur synchroneOn utilise parfois le moteur en fonctionnement à vide sur le réseau. On le surexcite pour quil fourn...
Bilan des puissances               Active et RéactiveFlexibilté de la machine synchrone (MS):                          y  ...
Réglage de la vitesse Un moteur synchrone ne peut fonctionnerqu’au synchronisme.                                    Caract...
Moteur synchrone:                    Variation de la vitesseD’après le diagramme vectoriel, on a :                        ...
Moteur synchrone autopiloté  Le moteur est muni d ’un capteur de position qui permet à un régulateurélectronique «d ’envoy...
Moteur Synchrone monophaséAutre exemple de petit moteur synchrone monophasé : moteur à pôlessaillants sans excitation qui ...
FIN             Machines            Synchrones2010-2011      Mohamed ELLEUCH   59
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Chapitre IV : Les machines synchrones

  1. 1. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 1
  2. 2. Machine Synchrone: Applications (1)La machine synchrone est une machine très utilisée de par sa fonctionnalité et sa réversibilité. Elle est très utilisée: dans la production dénergie électrique (centrale) et en traction électrique (ferroviaire : TGV Atlantique). Pour de petites applications, on la trouve de plus en plus à la place de moteur à courant continu continu. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 2
  3. 3. Machine Synchrone: Applications (2) Elle porte le nom dalternateur lorsquelle transforme de lénergie mécanique en é t f d lé i é i énergie i électrique. Lorsquelle fonctionne en moteur, on lui donne le nom de moteur synchrone. Avec le développement de lélectronique de l électronique puissance, le moteur synchrone vient remplacer le moteur à courant continu. De plus ne possédant pas de dispositif balais- collecteur, collecteur on dispose davantage de puissance p g p puissance.2010-2011 Mohamed ELLEUCH 3
  4. 4. Alternateurs dans une Centrale hydraulique à accumulation y q La Grande Dixence (800 MW, augmentation à 1200 W en cours) Ces C centrales ont un excellent rendement ( 90%) t l t ll t d t (~90%).2010-2011 Mohamed ELLEUCH 4
  5. 5. Centrales hydrauliques au fil de l’eauUn barrage de faible hauteur retient l’eau en amont, et lacontraint à s’écouler dans les turbines s écouler Centrale hydraulique de Verbois,-Suisse GE (100 MW) η≈90%2010-2011 Mohamed ELLEUCH 5
  6. 6. Alternateur dans une Centrale thermoélectrique à énergie fossile Centrale de Korneuburg ( (Autriche), 270 MW ), le rendement de ces centrales ne dépasse guère 40% environ Centrale thermoélectrique à Fuel ou à gazCes centrales convertissent par combustion l’énergie chimique en énergie thermique,qui est ensuite convertie en é i t it ti énergie mécanique, et fi l i é i t finalement en é t énergie él t i i électrique. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 6
  7. 7. Alternateurs dans une Centrale thermonucléaire TurbineRéacteur Alternateurnucléaire Exemple : Gösgen (1020 MW)A cause des radiations et des prescriptions de sécurité, la température de la vapeurproduite dans une telle centrale ne peut être aussi élevée que dans une centralethermique conventionnelle. 7Pour cette raison, le rendement est encore plus bas, et ne dépasse pas 33% environ.
  8. 8. Moteurs Synchrones Applications dans la traction maritimeDepuis les années 80, les paquebots sont équipés de moteurs de  p p q q ppropulsion électriques. Il s’agit généralement de moteurs synchrones  g g yautopilotées d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 8
  9. 9. Moteurs Synchrones Applications Les machines électriques q dans la traction ferroviaire A partir des années 1990, les trains à grande vitesse (TGV) de la SNCF sont équipés de moteurs électriques qui sont des moteurs synchrones autopilotées d’une puissance unitaire de  1,1 MW. Chaque rame TGV possède 8 moteurs, soit une puissance maximum de  Ch TGV èd 8 i i i d8,8 MW. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 9
  10. 10. Moteurs Synchrones: Les machines électriques q « perspectives dans la traction ferroviaire » ??? En traction ferroviaire, les moteurs synchrones sont de plus en plus remplacés par des moteurs asynchrones.plus remplacés par des moteurs asynchrones Exemple: L’eurostar est lancé à partir des années 1995.  Ces trains sont équipés de moteurs électriques qui sont des machines Ces trains sont équipés de moteurs électriques qui sont des machines asynchrones d’une puissance unitaire de  1 MW.  Chaque train « eurostar » possède 12 moteurs asynchrones, soit une  ypuissance maximum de 12,2 MW. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 10
  11. 11. LES ALTERNATEURSLes génératrices synchrones triphasées ou alternateurs triphasés sont:• des convertisseurs électromécaniques qui transforment l’énergie mécanique, fournie par un moteur ou une turbine en énergie électrique turbine, triphasée dont le transport et l’utilisation sont plus rationnels et plus rentables que dans le cas monophasé. p Pmécanique q ALTERNATEUR Pélectrique q 11 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  12. 12. CONSTITUTION• L’alternateur comprend essentiellement un stator et un rotor ou une roue polaire - circuit fixe (stator), portant les bobinages induits: (3 enroulements triphasés à p bobines chacun). Le stator est identique à celui dune machine asynchrone. hi h Il est soumis à un flux tournant et doit être feuilleté. feuilleté 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 12
  13. 13. Stator d’alternateur2010-2011 Mohamed ELLEUCH 13
  14. 14. Rotorcircuit tournant (rotor), portant les pôles inducteurs, produisant le champ magnétique tournant et qui sont à base:• d’aimants permanents, ou• électroaimants alimentés en courant continucontinu.• Le rotor tourne à la même vitesse que le champ statorique ; Il n est nest donc pas nécessaire de le feuilleter feuilleter. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 14
  15. 15. L’amélioration des caractéristiques des alternateursElle résulte:• d’d’une augmentation progressive de l’induction B d t ti i d l’i d ti dans l circuits les i it magnétiques et de la densité de courant dans les conducteurs ou charge linéique ( p g q (ampère tour p mètre). par )• La masse spécifique d’un alternateur : 1.5 kg/kVA en 1950 est passée à 0.45 kg/kVA en 1980.• Malgré les rendements élevés de ces alternateurs (0.95 à 0.98) les pertes, inhérentes à toute machine électrique, sont considérables. Pour un alternateur de 1485 MW des pertes de 2% représentent 30000 KW !!• Pour dissiper la chaleur correspondante plusieurs système de refroidissement sont mis en jeu : par eau et par hydrogène.• Enfin, l’alimentation en courant continu des inducteurs est assurée par différents modes d’excitation. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 15
  16. 16. Structure des rotorsLe rotor, à aimants permanents ou à enroulement excité en courant continu, se présente sous 2 formes distinctes définissant 2 familles de machines synchrones, à savoir : les machines à pôles lisses ou le nombre de paires de pôles p =1 ou 2. les machines à pôles saillants pouvant comporter un très grand nombre de pôles. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 16
  17. 17. Rotor électroaimant2010-2011 Mohamed ELLEUCH 17
  18. 18. Alimentation d’enroulements de la Roue Polaire ( g (bagues/balais) ) Bague + -Balais Vexcitation 18 Mohamed ELLEUCH
  19. 19. Rotor à aimants permanents Coupe transversale d’une machine synchrone: inducteur à aimants (rotor) Gauche): Pôles saillants. Droite): Pôles lisses (et à concentration de flux) 192010-2011 Mohamed ELLEUCH
  20. 20. Relation Vitesse-Dimension de la Roue Polaire• Une augmentation de la vitesse doit correspondre à une diminution du diamètre, sinon la vitesse tangentielle atteint une valeur telle que le rotor ne résiste pas à laction de la force centrifuge. centrifuge• Pour une puissance comparable on trouve des alternateurs de comparable, grand diamètre et de faible épaisseur (basse vitesse), ou de faible diamètre et de grande longueur (vitesse élevée) élevée).• Étant donné que le diamètre du rotor et son nombre de pôles varient dans le même sens, le montage des pôles ne pose pas de problème particulier au niveau de lencombrement. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 20
  21. 21. Alternateur à pôles lisses pSi l ’alternateur est entraîné par une turbine à vapeur ou à gaz, ilfonctionnera à vitesse él é (3000 1500 tf ti it élevée (3000, tours/minute). / i t ) Il doit alors avoir un diamètre faible pour résister à la forcecentrifuge, d ’où une forme allongée.Par exemple:S =100 MVA à 3000 t/m : diamètre rotor 1 m , longueur 5 mS = 1250 MVA ; di èt d rotor = 1 75 ; l diamètre du t 1.75m longueur =17m et l 17 t lepoids est de 200 tonnes.Le rotor est donc un cylindre plein portant des encochespériphérique et logeant les bobines excitatrices alimentées encourant continu continu. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 21
  22. 22. Exemple d’alternateur à pôles lisses Rotor d’un alternateur de centrale nucléaire (1250 MVA)L alternateurL’alternateur à pôles lisses est utilisé essentiellement dans lescentrales thermiques ou nucléaires. 22 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  23. 23. Alternateur à pôles saillants p Si la vitesse est plus faible ce qui est le cas avec certaines turbineshydrauliques , on augmente le diamètre du rotor pour garder unevitesse périphérique suffisamment grande. Le rapport longueur‐diamètre diminue. pp g Par exemple,  Ω  300 tr/mn ;  diamètre 5 m , longueur 1 m. La construction du rotor est complètement différente: roue forméed’une jante assurant le retour du flux magnétique des pôles surlaquelle sont fixés les pôles, chacun avec son bobinage. Les enroulements entourent les noyaux polaires et le nombre depôles minimal est fixé pratiquement à 4. 232010-2011 Mohamed ELLEUCH
  24. 24. Rotor à pôles saillants p2010-2011 Mohamed ELLEUCH 24
  25. 25. Utilisation• Ce type d’alternateur est utilisé, pour des puissances apparentes de quelques kVA jusquà environ 800 MW, dans : Les centrales hydrauliques (accouplé à des turbines Pelton, Francis ou Kaplan) produisant de l’énergie électrique à un réseau national. él t i é ti l Elles utilisent généralement les chutes d’eau. Les groupes d’usage privé, où l’entrainement se fait par des moteurs diesel. Ce sont les groupes électrogènes utilisés comme alimentation de secours secours. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 25
  26. 26. Alternateurs Hydrauliques Ils fournissent une partie de l’énergie du réseau national (0,2% en Tunisie). l énergie On les trouve dans les barrages sur les fleuves ou les lacs.Exemple : centrale de Rhinau sur le Rhin (France) La centrale comporte : quatre alternateurs de 42 MVA; N =75 tr/mn. avec turbines Kaplan à axe vertical, débit 350 m3/s. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 26
  27. 27. Organisation du Stator Le stator f ll é est constitué par une couronne d tôles feuilleté é de ôlmagnétiques d’épaisseur d’environ 0.5 mm et isolées entre elles par duvernis afin de diminuer les pertes par courant de Foucault Foucault. Le stator est pourvu d’encoches dans lesquelles sont distribués lesconducteurs d’un bobinage triphasé. g p Les 3 enroulements, comprenant chacun p bobines, sont couplés enétoile. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 27
  28. 28. Les turbos alternateurs modernes Puissance allant d quelques di i P i ll t de l dizaines d MW j de jusquà environ à iles 2 GW Tournent à la plus grande vitesse, cest-à-dire 3 000 tr/mn. Dans ces conditions, pour augmenter la puissance apparented’un alternateur, on doit augmenter la longueur du rotor,(diamètre limité à 1.25 m) mais au delà d’une certaine longueur des phénomènes de d une longueur,résonance mécanique peuvent causer de graves dommages. C’est pourquoi, pour les très grosses puissances, on utilise lesalternateurs à quatre pôles qui sont entrainés à 1500 tr/mn. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 28
  29. 29. ’ à à àExemple: Exemple: Turboalternateur 1 Turboalternateur 1 300 MWL’ensemble turbo‐ alternateur a une longueur totale de 70 m. 29L’alternateur a une longueur totale de 17.37 m et une masse de 240t.
  30. 30. Plaque signalétiqueElle porte: Le nom du constructeur et le numéro d’ordre de fabrication, Des indications techniques telles que le nombre de phase, puissanceapparente utile, service, tension entre bornes, courant débités, facteur depuissance,puissance vitesse de rotation condition d’excitation (tension et intensité rotation, d excitationmaximales). Comme pour les transformateurs, la puissance nominale est exprimée en kVAet non en kW; puisque le ( cos ϕ ) est une fonction de la charge.Représentation schématique SN = 3 UN I N a‐ Al Alternateur triphasé i h é b‐Moteur synchrone triphasé bM h i h é c‐Alternateur monophasé l h é 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 30
  31. 31. ’ La roue polaire d’’une génératrice triphasée portant p paires de  L l i d’’ é é i i h é i dpôles, tourne avec la pulsation Ω.  Il apparait aux bornes de ces enroulements un système de tension   Il apparait aux bornes de ces enroulements un système de tensiontriphasé équilibré‫׃‬Kp : facteur de Kapp ;  f :  la fréquence des fém induites,N : nombre total de conducteurs dans un enroulement M : la valeur du flux magnétique qui sort d’un pole nord de la roue  2010-2011 Mohamed ELLEUCH 31polaire.
  32. 32. Caractéristique à vide A vide, le stator couplé en étoile, linduit ne débite aucun courant. Le rotor est entraîné à la vitesse nominale Ω constante. En désignant par Ie l dé i le courant d’excitation d l d’ i i de la roue polaire, la fém l i l féEo (Ie); représente alors, à une constante près, la courbe de magnétisation du circuit magnétique canalisant le flux (puisque E φ ).magnétisation du circuit magnétique canalisant le flux (puisque Eo ~ φ ) Le point de fonctionnement se trouve g généralement entre les p points A et B. Sous le point A, la machine serait sous B exploitée A Au-delà du point B, la machine est saturée p , (augmentation des pertes) et le réglage de la fém devient délicat. Compromis: Le point de fonctionnement est choisi j h i i juste au d là d coude d saturation. delà du d de i Ce qui limite aussi les variations de la fém pour une perturbation donnée du courant d excitation, d’excitation 32 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  33. 33. Réaction Magnétique de L’induitSi cet alternateur débite dans une charge triphasée Si t lt t débit d h ti h é ,équilibrée provoquant un déphasage ψ lesenroulements seront parcourus par descourants exprimés par: Ces courants créent un champ magnétique tournant de même nombre depaires de pôles et de même vitesse de rotation que le champ tournant i d ôl td ê it d t ti l h t tprincipal (voir théorème de Ferraris): ELLEUCH réaction magnétique de33 2010-2011 Mohamed C’est lal’induit (R.M.I) .
  34. 34. Etude de la RMI Le champ tournant de la RMI Phase 1 LΦs, d’axe OXf , se compose aveccelui de la roue polaire Φo (d’axe (d axe pΩ X Xr MOX), pour donner le champmagnétique glissant résultant Φr(d’axe OXr)(d’ ). Le champ tournant résultant Φr Oest le responsable des forces Lélectromotrices Er induites dans Lles enroulements de l’induit. Le déphasage entre l’axe du Phase 2champ tournant résultant OXr et Xf Axe du champ Phase 3l’axe du champ glissant créé parles courants statoriques OXf est rotoriquedéfini par l’angle : l angle 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 34
  35. 35. Diagramme de la réactance synchrone (Behn Eschunburg) Eo désigne la fém induite à g θvide lorsque lexcitation estalimentée par le courant Ie. p θ: angle interne de l’alt. 35 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  36. 36. Paramètres Xs et R en % Xs% = 100 Xs (Ω)/Zb(Ω) ;avec Zb(Ω) = (Un)² / Sn• Xs% est généralement entre 30 et 120% !• Par contre, R est généralement inférieure à 1% ;• d’où l’hypothèse sou e t ut sée : d où ypot èse souvent utilisée R << Xs (R est négligeable devant Xs) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 36
  37. 37. Détermination de la réactance synchroneOn détermine Xs en relevant à fréquence constante Ω:- la caractéristique à vide Eo(Ie)- la caractéristique de court-circuit Icc(Ie).Pour la zone non saturée, Cette caractéristique saturéeEo(Ie) est approchée par une droite affine: 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 37
  38. 38. Détermination de XsLors de l’essai en court-circuit, la roue polaire entrainée à Ω,est alimentée par Ie.En commençant avec un courant dans la roue polaire réduit, onobtient par variation du courant Ie la caractéristique Icc( e) p q (I ).2010-2011 Mohamed ELLEUCH 38
  39. 39. Détermination de Xs• Connaissant la résistance R d’un enroulement (mesurée à chaud), on tire alors la valeur de Xs par la formule (comparable au transformateur) : f )Lors du fonctionnement en court circuit, l alternateur se trouve court-circuit lalternateurdans les conditions dune charge purement inductive (débitantsur Xs) donc désaturé ! 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 39
  40. 40. COUPLAGE DUN ALTERNATEUR SUR UN RESEAU• En général, les centrales p g , productrices de lénergie électrique g q sont interconnectées sur le réseau,• Elles reçoivent tous les jours, dun organisme central appelé "dispatching", un programme qui prévoit et fixe pour les différentes heures lénergie à fournir au réseau national.• Dautre part, nous savons que le rendement dun alternateur est maximal aux environs de sa charge normale.• Dans ces conditions, pour obtenir le meilleur rendement global de la centrale, il faut – mettre de nouvelles unités en service d tt d ll ité i dans l périodes les é i d chargées de la journée, – les mettre hors service durant les périodes creuses creuses. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 40
  41. 41. Montage de laboratoire pour le couplage de l’alternateur sur le réseau Contrôle de la C ô concordance des phases Action sur Action sur la le module fréquence de Valternateur2010-2011 Mohamed ELLEUCH 41 V1,V2,V3 E1,E2,E3
  42. 42. CONDITIONS DE COUPLAGEil faut que les bornes homologues de lalternateur et du réseau soient aux mêmes potentiels.Pour cela, il faut sassurer que les deux systèmes de tensions étoilées triphasées V1,V2,V3 (aux bornes V V du réseau) et E1, E2, E3, (aux bornes de l alternateur l’alternateur ) satisfont aux conditions suivantes: Ils ont même ordre de succession des phases. Ils ont même valeur efficace des tensions. q ils sont de même fréquence. deux tensions homologues Vi et Ei ont même phase. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 42
  43. 43. STABILITE DE L’ALTERNATEUR ACCROCHE AU RESEAU P = 3 V Eo sinθ / Xs En négligeant les pertesdans lalternateur: l alternateur: θ: angle interne de l’alternateur g 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 43
  44. 44. Condition sur l’angle interne• le fonctionnement est stable si et seulement si θ augmente lorsque Cr augmente. g t l q g t Cr Pmax = 3VEo / Xs 3VE / X-Cem A B 0 π/2 π θ Stable 2010-2011 Instable ELLEUCH Mohamed 44
  45. 45. Couple synchronisantPour obtenir une bonne stabilité, on doit avoir un couple synchronisant Cs important >0. p y pcest à dire: – une excitation importante (Eo grande) grande). – une réactance synchrone Xs faible (entrefer important).Il y aura risque de décrochage si Cs →0: Θ tend vers π/2 (surcharge excessive) V= (court-circuit aux b V 0( t i it bornes d l lt de lalternateur) t ) Ie = 0 (panne de la source dexcitation). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 45
  46. 46. Réversibilité de la machine synchrone• Accrochée au réseau, la machine synchrone passe dun fonctionnement générateur à un fonctionnement moteur selon moteur, que la machine dentraînement lui fournit un couple moteur ou un couple résistant.• Xs Xs Xs Eo Eo MOTEUR ALTERNATEUR -j Xs I 2010-2011 Mohamed ELLEUCH Eo 46
  47. 47. Fonctionnement en génératrice La roue polaire est en avance dun écart angulaire θ sur les pôlesrésultants qui tendent à freiner celle‐ci. Langle interne θ >0 (Eo est en avance de phase sur V), 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 47 La machine fournit alors de lénergie électrique au réseau.
  48. 48. Fonctionnement en moteurLa roue polaire va être freinée par la charge mécanique. Les pôles de laroue polaire seront retardés sur les p p pôles résultants dun écart angulaire g Φr Φo ≈ Er -j Xs I Eo 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 48
  49. 49. Cem = Pm/Ω = -3VEO sinθ/(XsΩ) ( )2010-2011 Mohamed ELLEUCH 49
  50. 50. DEMARRAGE D UN MOTEUR SYNCHRONEOn alimente linduit dun moteur synchrone, la roue l induit d un synchronepolaire alimentée est immobile. A cause de son inertie la ro e polaire voit défiler une ca se inertie, roue oit nesuccession de pôles nord et sud à la vitesse desynchronisme,synchronisme doù laction dattraction et de répulsionexercée sur la roue polaire: le couple résultant moyenest donc nul nul.En conclusion, le moteur synchrone ne peut pasdémarrer en direct sur son réseau dalimentation.Cd (Moteur Synchrone) = 02010-2011 Mohamed ELLEUCH 50
  51. 51. Procédés de démarrageAccrochage au réseau• On entraîne la machine en alternateur à vide grâce à un moteur auxiliaire jusquà sa vitesse de synchronisme. On effectue alors le couplage sur le réseau d alimentation dalimentation (comme le cas de lalternateur).Démarrage en asynchrone• On démarre en moteur asynchrone (Courant dans la roue polaire nul) nul).• La masse de la roue polaire et lamortisseur de Leblanc vont jouer le rôle du "rotor à cage" du moteur asynchrone. rotor cage asynchrone• Quand le moteur atteint une vitesse voisine du synchronisme, on alimente alors la roue polaire polaire. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 51
  52. 52. Démarrage à fréquence progressive Les problèmes de démarrage ne se posent pas dans le casd ’un moteur alimenté par un onduleur (dispositif électronique unde puissance) car on peut alors partir d ’une fréquence trèsfaible que l’on augmente progressivement. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 52
  53. 53. Compensateur synchroneOn utilise parfois le moteur en fonctionnement à vide sur le réseau. On le surexcite pour quil fournisse de la puissance réactive au réseau,ce qui permet daméliorer le cosφ du réseau quand sa charge est fortementinductive. Eo = V + Xs I Q = 3VI sinφ = - 3VI2010-2011 Mohamed ELLEUCH 53
  54. 54. Bilan des puissances Active et RéactiveFlexibilté de la machine synchrone (MS): y ( ) 1.MS Fournit de la puissance électrique (Pe): ALT 2. MS Absorbe de la puissance électrique (Q): MOT p q ( )Dans les deux cas, elle peut: 1. Fournir du réactif : surexcité (ALT); sousexcité (MOT) 2. Abosober du réactif : sousexcité (ALT); sousexcité (ALT) 3. Fonctionner à cosφ = 1 (Q=0) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 54
  55. 55. Réglage de la vitesse Un moteur synchrone ne peut fonctionnerqu’au synchronisme. Caractéristique couple vitesse du MS La vitesse de rotation étant liée à la fréquencedalimentation, la caractéristique mécanique serésume à un segment de droite vertical. Le meilleur moyen de faire varier la vitessed’un moteur synchrone est de l ’alimenter àfréquence variable. Ns = 60 f /p La tension du réseau est redressée, puis latension continue obtenue est transformée ent i ti bt tt f étension AC dans un onduleur (dispositifélectronique de puissance). Pour pouvoir garder lecontrôle du couple, on réalise unasservissement de la MS. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 55
  56. 56. Moteur synchrone: Variation de la vitesseD’après le diagramme vectoriel, on a : Φo OA = Eo cosψ = V cosφ π/2 V o φ ψ θ I Φs AEn plus de la variation de la fréquence, il faut asservir la -j Xs I Eoposition du flux statorique par rapport à la roue polaire.Selon le mode d’alimentation: d alimentation: On contrôle θ si l’alimentation est une source de tension On contrôle ψ si l’alimentation est une source de courant. L’asservissement = Autopilotage 56 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  57. 57. Moteur synchrone autopiloté Le moteur est muni d ’un capteur de position qui permet à un régulateurélectronique «d ’envoyer » au stator le courant ou la tension voulue. Un capteur de courant permet de générer les ordres de commutation dunonduleur qui alimente le stator sous la fréquence f. L ’ensemble obtenu s’appelle moteur synchrone autopiloté Ce système ensemble s appelle autopiloté.s ’apparente à un moteur à courant continu où le collecteur électromécanique a 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 57été remplacé par un collecteur électronique.
  58. 58. Moteur Synchrone monophaséAutre exemple de petit moteur synchrone monophasé : moteur à pôlessaillants sans excitation qui démarre en asynchrone un des deux sens de asynchrone,rotation étant privilégié par l’artifice de « shaded-pole ».Exemple:horloges à moteur synchrone monophasé avec démarrage manuel ou par monophasé,un des procédés notés ci-dessus.Problème: L’exactitude de la fréquence moyenne du réseau n’est plusgarantie.Parfois, ces moteurs se mettent à fonctionner en asynchrone !!!! (frottementtrop grand ou tension d’alimentation trop faible). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 58
  59. 59. FIN Machines Synchrones2010-2011 Mohamed ELLEUCH 59
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