Alternateur 2002

Terminale STI génie mécanique nouveau programme 2002 Machine synchrone
© Claude Divoux, 2003 1/6
Génératrice synchrone : l’alternateur
Etude en monophasé
1 Constitution
Rotor
Le rotor porte l’enroulement inducteur.
Il est constitué d’un enroulement parcouru par un courant d’excitation Ie continu créant un
champ magnétique 2p polaire. Il possède donc p paires de pôles.
Remarques :
 il faut apporter le courant à l’inducteur par l’intermédiaire de bagues et de balais.
 Sur des petites machine, le rotor peut être constitué par des aimants permanents.
Stator
Le stator porte l’enroulement induit.
L’enroulement du stator est le siège d’un courant alternatif monophasé.
Modes de fonctionnement, champ tournant, réversibilité
Fonctionnement en moteur :
Les courants alternatifs de fréquence f dans l’induit (stator) créent dans l’entrefer de la
machine, un champ magnétique tournant à la vitesse ns.
Le rotor, siège d’un champ magnétique constant, suit le champ tournant à la même vitesse ns.
Fonctionnement en alternateur :
L’inducteur sur le rotor entraîné par une turbine tournant à la vitesse ns, crée dans l’entrefer de
la machine un champ tournant à la vitesse ns.
Ce champ tournant induit aux bornes de l’induit (stator) une f.e.m. e(t) de fréquence f.
La machine synchrone est réversible.
Rappel : toute variation de champs magnétique à travers une bobine créée aux bornes de la
bobine une f.é.m. e(t) induite. C’est la loi de Faraday.
Synchronisme
Le rotor et le champ tournant ont la même vitesse nS. Ont dit qu’ils sont synchrones (d’où
l’indice s de ns).
La fréquence f de la f.e.m. ou du courant de l’induit (stator) et la vitesse de synchronisme ns
sont liées par la relation :

nS 
f
p
nS : vitesse de rotation du champs tournant en trs.s-1
;
  : fréquence des courants alternatifs en Hz ;
p : nombre de paires de pôles.
f.é.m. induite
L’enroulement de l’induit (stator) soumis au champ magnétique tournant de l’entrefer est le
siège d’une f.é.m. e(t) de valeur efficace E.

snKE  E : f.é.m. induit (V)
K : constante globale (caractéristique du moteur)
 : flux maximum à travers un enroulement (Wb)
Remarque : l’enroulement du stator est disposé de telle façon que la f.é.m. e(t) soit le plus
possible de forme sinusoïdale.
Caractéristique en fonction du courant d’excitation Ie (caractéristique à vide)
Tant que le courant d’excitation dans l’inducteur Ie ne
dépasse pas une certaine limite (Ie max), la valeur efficace E
de la f.e.m. est proportionnelle à ce courant.
C’est le courant Ie qui détermine le flux magnétique  dans
l’entrefer de la machine.
Schémas
Répartition du champ magnétique dans l’entrefer d’une machine synchrone et disposition du
bobinage.
bipolaire (p = 1) à pôles lisses tétrapolaire ou quadripolaire (p = 2) à pôles saillants
Remarque : un champ magnétique à toujours deux pôles, un nord et un sud. C’est pourquoi
on parle en terme de paire de pôles.
Symboles
Machine monophasée

2 Modèle équivalent de l ‘enroulement du stator
modèle de l’induit
e : f.é.m. à vide (V)
v : tension aux bornes d’un enroulement de la machine (V)
r : résistance de l’enroulement (Ω)
X = L. : réactance synchrone (Ω)
Le courant est orienté en « convention générateur ».
modèle de l’inducteur
L’inducteur est équivalent à
une résistance
Toute l’énergie absorbée à l’inducteur est perdue
par effet joule :

Pe UeIe  ReIe
2
 pje
Réaction magnétique d’induit
En charge, le courant dans l’induit (stator) crée un deuxième champ magnétique tournant qui
modifie les caractéristiques de la machine. C’est ce que l’on nomme la réaction magnétique
d’induit.
L’inductance L du schéma tient compte de l’inductance réelle de l’enroulement et de la
réaction magnétique d’induit.
Loi des mailles
Loi des mailles avec les grandeurs instantanées : rL uuve 
Loi des mailles avec les grandeurs vectorielles : rL UUVE


avec : 


V (V, ) ; )2/,(  ILUL

;
Diagrammes de Fresnel
Remarques :
 très souvent r.I est négligé ;
 en traçant le diagramme à l’échelle, il est possible d’en
déduire certaines grandeurs ;
 si la charge est résistive  = 0.
Diagramme d’un alternateur couplé au réseau
Pour un alternateur couplé au réseau, V est imposé à 220 V et  à 50 Hz.
Les grandeurs variables du réseau sont le courant I et le déphasage  qui vont dépendre de la
consommation.
Observons l’allure du diagramme de Fresnel pour la variation de ces deux grandeurs :

Diagrammes superposés pour
deux valeurs du courant
Diagrammes superposés pour
deux valeurs du déphasage
On constate que pour ces deux situations la f.é.m. E doit varier.
E est donnée par la relation : snKE 
On constate que le flux  est le seul terme pouvant être modifié par l’intermédiaire du
courant d’excitation Ie.
Conséquence :
 en utilisation normale, un groupe électrogène doit fournir une tension dont la valeur
efficace est la plus constante possible. La charge pouvant varier dans des proportions
importantes, un dispositif électronique de régulation (asservissement), agissant sur
l’intensité du courant d’excitation, est donc nécessaire.
 Si Ie devient trop grand, la machine risque de saturer, il n’est alors plus possible de
contrôler E avec Ie. L’asservissement devient impossible. Il faut éviter la saturation.
3 Bilan des puissances d’un alternateur
Puissance mécanique
La turbine, ou le moteur à essence pour un groupe électrogène, entraîne l’arbre de
l’alternateur avec un couple Tm.La puissance absorbée est mécanique.

Pméca  S .TM  2nSTM
ΩS : pulsation de rotation en rad.s-1
nS : vitesse en trs.s-1
TM : couple utile sur l’arbre en N.m
Puissance absorbée par le rotor

Pe UeIe Si l’alternateur est à excitation indépendante, il faut encore tenir compte de
l’énergie électrique absorbée par l’excitation (rotor).
Si l’alternateur est auto-excité, la puissance reçue par l’inducteur (excitation) est fournie par
le système d’entraînement et se trouve donc inclue dans le terme MSméca TP .

Puissance absorbée totale
Alternateur à excitation indépendante :

Pa  S .TM UeIe
Alternateur auto-excité :

Pa  S .TM
Alternateur à excitation à aimants permanents :

Pa  S .TM
Puissance utile
La charge reliée à l’alternateur absorbe un courant
de valeur efficace I et présente un facteur de
puissance cos 
cosVIPU 
Pertes par effet joule dans l’inducteur :

pje UeIe  ReIe
2
Pertes par effet joule dans l’induit :

pji  rI2
Pertes par effet joule dans l’induit :

pj  rI2
 ReIe
2
Pertes dites « collectives » pc : pertes mécaniques et pertes fer qui ne dépendent pas de
la charge.
Remarque :
 comme les pertes mécaniques et les pertes fer dépendent de la fréquence et de la tension U,
elles sont généralement constantes (50 Hz - 220V).
Rendement

 
Pu
Pa
4 Utilisation
Avantages
La machine synchrone est plus facile à réaliser et plus robuste que le moteur à courant
continu.
Son rendement est proche de 99%.
On peut régler son facteur de puissance cos  en modifiant le courant d’excitation Ie.
Inconvénients
Un moteur auxiliaire de démarrage est souvent nécessaire.
Il faut une excitation, c’est-à-dire une deuxième source d’énergie.
Si le couple résistant dépasse une certaine limite, le moteur décroche et s’arrête.
Centrale électrique
Ils fournissent l’énergie du réseau EDF. On les trouve dans toutes les centrales électriques.
Exemple : centrale de Rhinau sur le Rhin.

La centrale comporte quatre alternateurs de 42000 kVA chacun : vitesse, 75 tr.mn-1
avec
turbines Kaplan à axe vertical, débit 350 m3
.s-1
.
Exemple : centrale de Grand-Maison en Isère
Vitesse de synchronisme : 428,6 tr.mn-1
Puissance active nominale : 153 MW
Tension nominale : 15,5 kV
Intensité nominale : 6333 A
Masse du rotor : 235 t
Masse du stator : 166 t
Excitation statique par soutirage au stator
Puissance d’excitation : 323 kW
Rendement en régime nominal : 98,5%

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