CHAPITRE 8 Machines Synchrone
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C. S. F. M. I EL-OUARDIA Mr CHAKROUN N. 16/03/2008 CH 8 Page 75
M A C H I N E S Y N C H R O N E
I/ CONSTITUTION
I-1/ Rotor = inducteur
Il est constitu dun enroulement parcouru par un courant dexcitationIe continu crant
un champ magntique deux p polaire. Il possde donc p paires de ples .
Remarques : Il faut apporter le courant linducteur par lintermdiaire de bagues et de balais.
Le rotor peut tre constitu par un aimant permanent.
I-2/ Stator = induit
Les enroulements du stator sont le sige de courants alternatifs monophass ou triphass. Ilpossde le mme nombre de paires p de ples.
I-3/ Champ tournant
Les courants alternatifs dans le stator crent un champ magntique tournant la pulsation :
pS
= ou
p
fn
S=
Avec : S : vitesse de rotation du champ tournant en rad.s-1 ;
: pulsation des courants alternatifs en rad.s-1
. = 2..f;
nS : vitesse de rotation du champs tournant en trs.s-1
;
f: frquence des courants alternatifs en Hz ;
p : nombre de paires de ples.
I-4/ Synchronisme
Le champ tournant du stator accroche le champ inducteur solidaire du rotor.
Le rotor ne peut donc tourner qu la vitesse de synchronisme S.
I-5/ Schmas
Rpartition du champ magntique dans lentrefer dune machine synchrone.
Remarque :
Un champ magntique toujours deux ples, un nord et un sud. Cest pourquoi on parle enterme de paire de ples.
Bipolaire (p=1) Ttrapolaire ou quadripolaire (p = 2)
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Reprsentation de deux types de machines synchrones.
II/ SYMBOLES
Machine monophase Machine triphase
III/ F.E.M. INDUITEUn enroulement de linduit (stator) soumis au champ magntique tournant de lentrefer est
le sige dune f..m. e(t) de valeur efficace E.
SS nKpnKNfKNE === ' Finalement SnKE = '
Avec : E : f..m. induit (V)K: coefficient de Kapp (caractristique de la machine)
N: nombre de conducteurs dune phase de la machine (1spire =2conducteurs): flux maximum travers un enroulement (Wb)
f: frquence du courant statorique (Hz)p : nombre de paires de ples
nS : vitesse de rotation (trs.s -1)K=KNp : constante globale (caractristique du moteur)
Remarques : Les enroulements sont disposs dans le stator de telle faon que la f..m. e(t) soit le plus
possible de forme sinusodale ;
en triphas le stator comporte trois enroulements ou phases. On obtient trois f..m. e1(t) e2(t)
et e3(t) de mme valeur efficace E et dphases de 2/3
IV/ MODES DE FONCTIONNEMENTLa machine synchrone est rversible.
IV-1/ Fonctionnement en moteur
Le champ tournant du stator accroche le champ li au rotor la vitesse S= /p.
IV-2/ Fonctionnement en alternateur (gnratrice)
Le rotor et son champ sont entrans par une turbine. Les bobines de linduit sont alors le
Machine ples saillantsMachine ples lisses
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sige de f..m. alternative de pulsation=p*S
V/ REACTION MAGNETIQUE DINDUITEn charge, le courant dans linduit cre un champ magntique qui modifie les
caractristiques de la machine. Cest ce que lon nomme la raction magntique dinduit.
VI/ MODELE EQUIVALENT DUN ENROULEMENT
VI-1/ Schma dans le cas de lalternateur
E : f..m. vide (V)
V: tension aux bornes dun enroulement de la machine (V)
R : rsistance de lenroulement ()X : ractance synchrone ()
Remarques : linductance L du schma tient compte de linductance relle de lenroulement et de la
raction magntique dinduit ;
le courant est orient en convention gnrateur. linducteur est quivalent une rsistance. Toute lnergie absorbe linducteur est perdue
par effet joule :
VI-2/ Loi des mailles
Loi des mailles avec les grandeurs instantanes :RX uuve ++= soit iR
dt
diLve ++= :
Loi des mailles avec les grandeurs vectorielles :RX
UUVE ++= avec : ( ),VV
( )2/, +ILUX
et ( )0,RIU
VI-3/ Diagrammes de Fresnel
trs souventR.Iest nglig ;
en traant le diagramme lchelle, il est possible den dduirecertaines grandeurs ;
si la charge est rsistive = 0.
Le diagramme ci-dessus est en fait le plus simple pour une machine ples lisses et non
sature.
Il peut tre utile de connatre deux angles :
le dphasage entre le courant et la tension. et I varient enfonction de la consommation ;
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le dcalage interne entre V et E.
VI-4/ Commentaires : alternateur coupl au rseauPour un alternateur coupl au rseau, V est impos 220 V et 50 Hz.Les grandeurs variables du rseau sont le courant I et le dphasage .
Observons lallure du diagramme de Fresnel pour la variation de ces deux grandeurs :
On constate que pour ces deux situations la f..m. E doit varier.
E est donne par la relation :SnKE = '
On constate que le flux est le seul terme pouvant tre modifi par lintermdiaire du
courant dexcitationIe.
Consquence :S : pulsation de rotation en rad.s-1
nS : vitesse en trs.s-1
TM : couple utile sur larbre en N.m
VI-5/ Caractristique vide dune machine synchrone
Le point de fonctionnement P se trouve gnralement entre les
points A et B.Sous le point A, la machine serait sous exploite.
Au-dessus du point B, une forte augmentation de Ie ne produit
quune faible augmentation de Ev. Lasservissement devientimpossible.
VII/ BILAN DES PUISSANCES DUN ALTERNATEUR
VII-1/ Puissance absorbe
La turbine, ou le moteur essence pour un groupe
lectrogne, entrane larbre de lalternateur. La puissance
absorbe est mcanique.S : pulsation de rotation en rad.s
-1
nS : vitesse en trs.s-1TM : couple utile sur larbre en N.m
Diagrammes superposs pour deux
valeurs du courantDiagrammes superposs pour
deux valeurs du dphasage
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Si lalternateur nest pas auto-excit il faut encore
tenir compte de lnergie lectrique absorbe par
lexcitation (rotor).
VII-2/ Puissance utile
En triphas avec une charge quilibre de facteur depuissance cos
VII-3/ Bilan des pertes
Pertes par effet joule dans linducteur :
Pertes par effet joule dans linduit : O R est la rsistance vue entre deux
bornes de lalternateur. Ces pertes dpendent de la charge.
Pertes dites collectives pc : pertes mcaniques et pertes fer qui ne dpendent pas de la charge.
Remarque :comme les pertes mcaniques et les pertes fer dpendent de la frquence et de la tension U,
elles sont gnralement constantes (50 Hz - 220V).
VII-4/ Rendement
Ou
VIII/ COMPLEMENTS SUR LE MOTEUR SYNCHRONE
VIII-1/ Avantages
La machine synchrone est plus facile raliser et plus robuste que le moteur courant
continu. Son rendement est proche de 99%.
On peut rgler son facteur de puissance cos en modifiant le courant dexcitationIe.
VIII-2 Inconvnients
Un moteur auxiliaire de dmarrage est souvent ncessaire.
Il faut une excitation, cest--dire une deuxime source dnergie.Si le couple rsistant dpasse une certaine limite, le moteur dcroche et sarrte.
VIII-3/ Utilisations
VIII-3-1/ Moteurs Ils sont utiliss en forte puissance (1 10 MW - compresseur de pompe, concasseur);
toutefois pour faire varier la vitesse, il faut faire varier la frquence des courants
statoriques. Il a donc fallu attendre le dveloppement de llectronique de puissance
pour commander des moteurs auto-synchrones ou synchrones auto-pilots (T.G.V.
Atlantique - 1981).
Dans le domaine des faibles puissances, les rotors sont aimants permanents. Lintrtde ces moteurs rside dans la rgularit de la vitesse de rotation (tourne-disque,
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appareil enregistreur, programmateur, servomoteur).
Le moteur synchrone peut galement tre utilis comme source de puissance ractive
Q pour relever le facteur de puissance cos dune installation lectrique.
VIII-3-2/ AlternateursIls fournissent une partie de lnergie du rseau STEG.