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Présentation   Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement        Champ magnétique tournant à 50 tr/s           ...
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Technologie      Symboles électriques Symboles électriques                                         1   2    3             ...
Fonctionnement Plan 1    Présentation        Applications        Définition et intérêts        Principe de fonctionnement 2...
Fonctionnement    Schémas électriques équivalents Schéma électrique équivalent        Chaque phase : générateur réel      ...
Fonctionnement    Schémas électriques équivalents Schéma électrique équivalent        Chaque phase : générateur réel      ...
Fonctionnement    Schémas électriques équivalents Branchements en production         Alternateurs équilibrés         Possi...
Fonctionnement    Grandeurs d’une phase Force électromotrice           Mesurons la force électromotrice E d’une phase ! Co...
Fonctionnement    Grandeurs d’une phase Force électromotrice           Mesurons la force électromotrice E d’une phase ! Co...
Fonctionnement    Grandeurs d’une phase Caractéristique interne        Caractéristique interne : E (i)        Mesurée :   ...
Fonctionnement    Grandeurs d’une phase La réactance synchrone           Mesurons la réactance synchrone Xs d’une phase ! ...
Fonctionnement    Grandeurs d’une phase La réactance synchrone           Mesurons la réactance synchrone Xs d’une phase ! ...
Fonctionnement    Grandeurs d’une phase Mesure en court-circuit                                                           ...
Fonctionnement    Caractéristique en charge Caractéristique externe         Caractéristique externe = caractéristique en c...
Fonctionnement    Caractéristique en charge Remarque sur la caractéristique en charge         Allure valable quel que soit...
Fonctionnement     Diagramme de Behn-Eschenburg Diagramme de Behn-Eschenburg        ϕ est imposé par la charge        Diag...
Fonctionnement      Bilan des puissances dans l’alternateur synchrone Bilan des puissances converties                     ...
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Alternateur synchrone

  1. 1. L’alternateur synchroneÉlectricité 2 — Électrotechnique Christophe Palermo IUT de Montpellier Département Mesures Physiques & Institut d’Electronique du Sud Université Montpellier 2Web : http://palermo.wordpress.com e-mail : cpalermo@um2.frAnnée Universitaire 2010–2011 MONTPELLIER
  2. 2. Plan 1 Présentation Applications Définition et intérêts Principe de fonctionnement 2 Technologie de l’alternateur synchrone Les circuits électriques Paires de pôles Symboles électriques 3 Fonctionnement de l’alternateur synchrone Schémas électriques équivalents Grandeurs d’une phase Caractéristique en charge Diagramme de Behn-Eschenburg Bilan des puissances dans l’alternateur synchroneIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 2 / 27
  3. 3. Présentation Plan 1 Présentation Applications Définition et intérêts Principe de fonctionnement 2 Technologie de l’alternateur synchrone Les circuits électriques Paires de pôles Symboles électriques 3 Fonctionnement de l’alternateur synchrone Schémas électriques équivalents Grandeurs d’une phase Caractéristique en charge Diagramme de Behn-Eschenburg Bilan des puissances dans l’alternateur synchroneIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 3 / 27
  4. 4. Exemple d’utilisation d’un alternateur Présentation Applications Barrage hydroélectrique « au fil de l’eau » Centrale hydroélectrique Énergie de l’eau. Renouvelable. 10IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 4 / 27
  5. 5. Présentation Applications Centrale nucléaire On fait bouillir de l’eau. Aussi possible avec du pétrole, du charbon, etc. Non-renouvelable.IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 5 / 27
  6. 6. Présentation Applications Turbines et alternateursDans tous les cas, on utilise des turbines des arbres de transmission des alternateurs en 2009, par rapport à 2008 519 TWh = 519 milliards de kWhIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 6 / 27
  7. 7. Présentation Définition et intérêts Définition de l’alternateur Un alternateur synchrone C’est une machine électrique tournante fonctionnant en mode génératrice et produisant de l’énergie électrique alternative Énergie mécanique =⇒ énergie électrique alternative Alternateur triphasé : produit 3 phases (+ un neutre si besoin) Alternateur monophasé : produit 1 phase + 1 neutre Machine réversible : moteur synchrone ←→ alternateur synchroneIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 7 / 27
  8. 8. Présentation Définition et intérêts Définition de l’alternateur Un alternateur synchrone C’est une machine électrique tournante fonctionnant en mode génératrice et produisant de l’énergie électrique alternative Énergie mécanique =⇒ énergie électrique alternative Alternateur triphasé : produit 3 phases (+ un neutre si besoin) Alternateur monophasé : produit 1 phase + 1 neutre Machine réversible : moteur synchrone ←→ alternateur synchroneIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 7 / 27
  9. 9. Présentation Définition et intérêts Intérêts Production de fortes puissances et de faibles puissances Utilisation d’un principe simple Rendements très élevés (proches de 100 % en fortes puissances) Electricité naturellement alternative (idéal pour transformateurs) Alternateur triphasé À la base de presque toute la production mondiale d’électricité Barrages, centrales nucléaires, centrales thermiques à flammes, etc. Mais aussi : dans les voitures, les avions, les groupes électrogènes, les petites éoliennes, etc.IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 8 / 27
  10. 10. Présentation Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement Champ magnétique tournant à 50 tr/s φ variable =⇒ −dφ/dt = 0 Bobine : siège d’une f.é.m induite de 50 Hz 1 tour = 360 ˚ = 2π radiansIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 9 / 27
  11. 11. Présentation Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement Champ magnétique tournant à 50 tr/s φ variable =⇒ −dφ/dt = 0 Bobine : siège d’une f.é.m induite de 50 Hz 1 tour = 360 ˚ = 2π radians Trois bobines décalées de 120 ˚ = 2π/3 radians Chaque bobine est le siège d’une f.é.m induite De fréquence 50 Hz Décalés d’1/3 de période soit 120˚= 2π/3 e = BSNω (∝ Bω) Système triphasé équilibréIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 9 / 27
  12. 12. Technologie Plan 1 Présentation Applications Définition et intérêts Principe de fonctionnement 2 Technologie de l’alternateur synchrone Les circuits électriques Paires de pôles Symboles électriques 3 Fonctionnement de l’alternateur synchrone Schémas électriques équivalents Grandeurs d’une phase Caractéristique en charge Diagramme de Behn-Eschenburg Bilan des puissances dans l’alternateur synchroneIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 10 / 27
  13. 13. Technologie Les circuits électriques Schéma de construction simplifié 2 3 120° B 1 1 3 2 Au minimum : 2 bobines / phase = 1 paire de pôles / phase Rotor = (électro)-aimant tournant Stator = bobines induitesIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 11 / 27
  14. 14. Technologie Les circuits électriques Le rotor = l’inducteur Rôle mécanique du rotor : absorber la puissance mécanique Rôle électro-magnétique du rotor : l’inducteur Crée un champ magnétique continu Constitue la commande (circuit de réglage de la tension produite) Faible puissance : aimants permanents (brushless) inconvénient : pas de réglage possible de la tension produite Fortes puissances : électro-aimant Courant continu d’excitation i : réglage possible Inconvénient : apport par des bagues et des balais (ou par une génératrice) Vocabulaire : Rotor = roue polaire Courant inducteur = courant d’excitationIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 12 / 27
  15. 15. Technologie Les circuits électriques Le rotor = l’inducteur Rôle mécanique du rotor : absorber la puissance mécanique Rôle électro-magnétique du rotor : l’inducteur Crée un champ magnétique continu Constitue la commande (circuit de réglage de la tension produite) Faible puissance : aimants permanents (brushless) inconvénient : pas de réglage possible de la tension produite Fortes puissances : électro-aimant Courant continu d’excitation i : réglage possible Inconvénient : apport par des bagues et des balais (ou par une génératrice) Vocabulaire : Rotor = roue polaire Courant inducteur = courant d’excitationIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 12 / 27
  16. 16. Technologie Les circuits électriques Le stator = l’induit Rôle mécanique du stator : stabiliser la structure Rôle électro-magnétique : le stator est l’induit Siège des forces électromotrices induitesLe stator = llainducteur Délivre ’ puissance électrique : circuit de sortie Constitué de : Le stator (élément statique) entaillé d’encoches crée le champ) Cylindre ferromagnétique = l’inducteur (qui =⇒ meilleure induction Relié au réseau de tôles pour limiter les courants Empilement de Foucault =⇒ moins de pertes Constitué de : ! Technologie : Cylindre ferromagnétique entaillé d’encoches par phase au moins : 1 paire de 2 bobinages pôles / phase ! Empilement de tôles pour limiter les Amélioration : plusieurs paires de pôles par courants de Foucault phase Bobinages :IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 13 / 27
  17. 17. Technologie Paires de pôles Paires de pôles ns dépend de l’environnement : Centrales thermiques (nucléaire, flammes), à vapeur d’eau : 1500 à 3000 tr/min Centrales hydroélectriques, fil de l’eau : 100aine de tr/min f est imposée par le réseau EDF : 50 Hz, USA : 60 Hz p permet de s’adapter f = p · ns f : fréquence des f.é.m et des courants induits (Hz) p : nombre de paires de pôles (1) ns : vitesse de rotation du rotor (de synchronisme) (tr/s)IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 14 / 27
  18. 18. Technologie Symboles électriques Symboles électriques 1 2 3 1 2 3 Stator GS GS ~ 3 ~ ~ 3 Rotor − − GS dans le stator-induit = Génératrice Synchrone 3 ∼ dans le stator-induit = système triphasé – dans le rotor-inducteur = courant continuIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 15 / 27
  19. 19. Fonctionnement Plan 1 Présentation Applications Définition et intérêts Principe de fonctionnement 2 Technologie de l’alternateur synchrone Les circuits électriques Paires de pôles Symboles électriques 3 Fonctionnement de l’alternateur synchrone Schémas électriques équivalents Grandeurs d’une phase Caractéristique en charge Diagramme de Behn-Eschenburg Bilan des puissances dans l’alternateur synchroneIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 16 / 27
  20. 20. Fonctionnement Schémas électriques équivalents Schéma électrique équivalent Chaque phase : générateur réel Schéma électrique d’une phase rs : résistance de l’enroulement de l’alternateur : en Ω rs Xs Xs = Ls ω : réactance synchrone “effet secondaire” de l’induction en Ω Dans chaque phase : courant J tension VIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 17 / 27
  21. 21. Fonctionnement Schémas électriques équivalents Schéma électrique équivalent Chaque phase : générateur réel Schéma électrique d’une phase rs : résistance de l’enroulement de l’alternateur : en Ω rs Xs Xs = Ls ω : réactance synchrone “effet secondaire” de l’induction en Ω Mailles : E = (rs + jXs )J + V Dans la pratique : rs << Xs Dans une phase de l’alternateur Dans chaque phase : E = jXs · J + V courant J tension VIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 17 / 27
  22. 22. Fonctionnement Schémas électriques équivalents Branchements en production Alternateurs équilibrés Possibles en étoile (Y) ou en triangle (∆) En étoile : 10 A 17 A 230 V I = J√ 400 V 230 V U = 3V En triangle : √ I = 3J U=V Le plus souvent en étoile : Tensions plus élevées pour une même machine (production de V ) Courants plus faibles pour une même puissance (production de J) Création du neutreIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 18 / 27
  23. 23. Fonctionnement Grandeurs d’une phase Force électromotrice Mesurons la force électromotrice E d’une phase ! Comment faire ? 1 Un voltmètre mesure des valeurs efficaces en alternatifIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 19 / 27
  24. 24. Fonctionnement Grandeurs d’une phase Force électromotrice Mesurons la force électromotrice E d’une phase ! Comment faire ? E = jXs · J + V Je veux annuler J J’enlève la charge (électrique) de l’alternateur J’obtiens alors E = V (en valeurs efficaces) Avec un voltmètre1 : je mesure E à l’induit Toujours vrai, à retenir Pour mesurer la f.é.m d’un générateur, je le fais fonctionner à vide et je mesure la tension disponible entre ses bornes. 1 Un voltmètre mesure des valeurs efficaces en alternatifIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 19 / 27
  25. 25. Fonctionnement Grandeurs d’une phase Caractéristique interne Caractéristique interne : E (i) Mesurée : à ns = cste àJ =0 On remarque : Une zone linéaire (fonctionnement) Une zone de saturation E = 0 quand i = 0 (champ rémanent) Du point de vue de l’utilisateur non-spécialiste Le courant inducteur permet de régler la tension (d’induit) produiteIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 20 / 27
  26. 26. Fonctionnement Grandeurs d’une phase La réactance synchrone Mesurons la réactance synchrone Xs d’une phase ! Comment faire ? 2 Un ampèremètre mesure des valeurs efficaces en alternatifIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 21 / 27
  27. 27. Fonctionnement Grandeurs d’une phase La réactance synchrone Mesurons la réactance synchrone Xs d’une phase ! Comment faire ? E = jXs · J + V Annuler V : placer l’induit en court-circuit (J = Jcc ) E (i) En valeurs efficaces : Xs (i) = Jcc Avec i : je contrôle la f.é.m E je contrôle le courant de sortie (à l’induit) Jcc = Jcc (i) Mesures : J’ai déjà mesuré E Avec un ampèremètre2 : je mesure Jcc dans l’induit Attention : plusieurs valeurs de E disponibles =⇒ Je choisis la zone linéaire (loin de la saturation) 2 Un ampèremètre mesure des valeurs efficaces en alternatifIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 21 / 27
  28. 28. Fonctionnement Grandeurs d’une phase Mesure en court-circuit Icc = Jcc A Caractéristique en court-circuit : Jcc (i) Mesurée : à ns = cste àV =0 J Linéaire : coefficient de proportionnalité Unique moyen pour mesurer Xs Courant de court-circuit : Paramètre important d’un générateur Générateur meilleur quand Jcc est grandIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 22 / 27
  29. 29. Fonctionnement Caractéristique en charge Caractéristique externe Caractéristique externe = caractéristique en charge = U(I) Mesurée : à ns = cste à i = cste à cos ϕ = cste Courbes : C1 : résistances C2 : inductances C3 : capacités On remarque : Influence de la charge J Inductances : plus de pertes ϕ est toujours mesuré du courant vers la tensionIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 23 / 27
  30. 30. Fonctionnement Caractéristique en charge Remarque sur la caractéristique en charge Allure valable quel que soit le générateur alternatif alternateur, transfo, GBF, etc. Responsable des problèmes de sous-tension Circuit type : inductif à cause des câbles Déphasage ϕ : imposé par la chargeIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 24 / 27
  31. 31. Fonctionnement Diagramme de Behn-Eschenburg Diagramme de Behn-Eschenburg ϕ est imposé par la charge Diagramme de Fresnel (b) E = jXs · J + V (a) J ψ ϕ E E Xs J V Xs J V ψ ϕ Alternateur sous-excité (E < V ) J Installation capacitive : RARE Alternateur sur-excité (E > V ) Installation inductive ou résistiveIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 25 / 27
  32. 32. Fonctionnement Bilan des puissances dans l’alternateur synchrone Bilan des puissances converties Puissance mécanique absorbée Pa Pertes mécaniques Pertes fer Puissance rotationnelles Prot Pf électromagnétique Pem Pertes Joule au stator Puissance électrique PJS utile Pu Penser à rajouter PJR = ui pour l’excitation du rotor a a hors schéma car ne provenant pas de la conversion de puissance mécaniqueIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 26 / 27
  33. 33. Fonctionnement Bilan des puissances dans l’alternateur synchrone En résumé Dispositif de conversion mécano-électrique Puissance absorbée : mécanique Puissance utile : électrique Réversibilité : oui, moteur synchrone 2 circuits : inducteur (rotor) et induit (stator) Induit : production de la puissance électrique inducteur : circuit de réglage de la tension produite Réactance synchrone : caractéristique de l’alternateur (qualité/pertes) 2 mesures pour une excitation donnée i : à vide et en CC En charge : Chute de tension quand le courant augmente Chute d’autant plus importante que le circuit est inductif Capacités : préviennent la chute de tensionIUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 27 / 27

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