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2010-2011   Mohamed ELLEUCH   1
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 d'énergie 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
Machine Synchrone: Applications
               (2)
 Elle porte le nom d'alternateur lorsqu'elle
 transforme de l'énergie mécanique en é
 t     f      d l'é    i    é    i       énergie
                                              i
 électrique.

 Lorsqu'elle fonctionne en moteur, on lui donne le
 nom de moteur synchrone.

 Avec le développement de l'électronique 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 d'avantage de puissance
                  p            g     p
                                     puissance.
2010-2011           Mohamed ELLEUCH                  3
Alternateurs dans une Centrale
       hydraulique à accumulation
        y      q




       La Grande Dixence (800 MW, augmentation à 1'200 W en cours)
            Ces
            C centrales ont un excellent rendement ( 90%)
                 t l      t        ll t     d    t (~90%).
2010-2011                      Mohamed ELLEUCH                       4
Centrales hydrauliques au fil de l’eau




Un barrage de faible hauteur retient l’eau en amont, et la
contraint à s’écouler dans les turbines
            s écouler
            Centrale hydraulique de Verbois,-Suisse GE (100 MW)
                                   η≈90%
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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 gaz
Ces 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
Alternateurs dans une Centrale
                      thermonucléaire
            Turbine

Réacteur              Alternateur
nucléaire




                                                                   Exemple :
                                                                Gösgen (1'020 MW)




A cause des radiations et des prescriptions de sécurité, la température de la vapeur
produite dans une telle centrale ne peut être aussi élevée que dans une centrale
thermique conventionnelle.                                                         7
Pour cette raison, le rendement est encore plus bas, et ne dépasse pas 33% environ.
Moteurs Synchrones
   Applications
                  dans la traction maritime
Depuis les années 80, les paquebots sont équipés de moteurs de 
   p                      p q             q p
propulsion électriques. 
Il s’agit généralement de moteurs synchrones 
      g g                             y
autopilotées d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW.




    2010-2011             Mohamed ELLEUCH                    8
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    d
8,8 MW.




     2010-2011                Mohamed ELLEUCH                        9
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 
                                                        y
puissance maximum de 12,2 MW.




    2010-2011                Mohamed ELLEUCH                     10
LES ALTERNATEURS
Les 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
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 d'une
                          machine asynchrone.
                                hi         h
                           Il est soumis à un flux tournant et doit
                          être feuilleté.
                                feuilleté




   2010-2011              Mohamed ELLEUCH                      12
Stator d’alternateur




2010-2011         Mohamed ELLEUCH   13
Rotor
circuit 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
   n'est donc pas nécessaire de le feuilleter
                                       feuilleter.




   2010-2011                Mohamed ELLEUCH                      14
L’amélioration des caractéristiques des
                  alternateurs
Elle 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
Structure des rotors
Le 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
Rotor électroaimant




2010-2011        Mohamed ELLEUCH   17
Alimentation d’enroulements de la
    Roue Polaire ( g
                 (bagues/balais)
                               )




 Bague




             +
         -
Balais
             Vexcitation                     18
                           Mohamed ELLEUCH
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)

                                                                  19
2010-2011                    Mohamed ELLEUCH
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 l'action 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 l'encombrement.
    2010-2011              Mohamed ELLEUCH                    20
Alternateur à pôles lisses
                       p
Si l ’alternateur est entraîné par une turbine à vapeur ou à gaz, il
fonctionnera à vitesse él é (3000 1500 t
f     ti          it     élevée (3000,       tours/minute).
                                                  / i t )
 Il doit alors avoir un diamètre faible pour résister à la force
centrifuge, d ’où une forme allongée.
Par exemple:
S =100 MVA à 3000 t/m : diamètre rotor 1 m , longueur 5 m
S = 1250 MVA ; di èt d rotor = 1 75 ; l
                diamètre du t  1.75m longueur =17m et l
                                               17   t le
poids est de 200 tonnes.
Le rotor est donc un cylindre plein portant des encoches
périphérique et logeant les bobines excitatrices alimentées en
courant continu
         continu.
   2010-2011                 Mohamed ELLEUCH                       21
Exemple d’alternateur à pôles lisses




               Rotor d’un alternateur de centrale nucléaire (1250 MVA)
L alternateur
L’alternateur à pôles lisses est utilisé essentiellement dans les
centrales thermiques ou nucléaires.                              22
   2010-2011                   Mohamed ELLEUCH
Alternateur à pôles saillants
                      p
  Si la vitesse est plus faible ce qui est le cas avec certaines turbines
hydrauliques , on augmente le diamètre du rotor pour garder une
vitesse 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 formée
d’une jante assurant le retour du flux magnétique des pôles sur
laquelle sont fixés les pôles, chacun avec son bobinage.
 Les enroulements entourent les noyaux polaires et le nombre de
pôles minimal est fixé pratiquement à 4.



                                                                   23
2010-2011              Mohamed ELLEUCH
Rotor à pôles saillants
                    p




2010-2011          Mohamed ELLEUCH    24
Utilisation
• Ce type d’alternateur est utilisé, pour des puissances
  apparentes de quelques kVA jusqu'à 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
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
Organisation du Stator
  Le stator f ll é est constitué par une couronne d tôles
               feuilleté              é                      de ôl
magnétiques d’épaisseur d’environ 0.5 mm et isolées entre elles par du
vernis afin de diminuer les pertes par courant de Foucault
                                                  Foucault.
  Le stator est pourvu d’encoches dans lesquelles sont distribués les
conducteurs d’un bobinage triphasé.
                          g    p
  Les 3 enroulements, comprenant chacun p bobines, sont couplés en
étoile.




   2010-2011                Mohamed ELLEUCH
                                                                 27
Les turbos alternateurs modernes
  Puissance allant d quelques di i
  P i        ll t de    l     dizaines d MW j
                                       de   jusqu'à environ
                                                 'à    i
les 2 GW

  Tournent à la plus grande vitesse, c'est-à-dire 3 000 tr/mn.

  Dans ces conditions, pour augmenter la puissance apparente
d’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 les
alternateurs à quatre pôles qui sont entrainés à 1500 tr/mn.

   2010-2011               Mohamed ELLEUCH                     28
’
                  à
                         à
                  à
Exemple: 
Exemple:       Turboalternateur 1
               Turboalternateur 1 300 MW
L’ensemble turbo‐ alternateur a une longueur totale de 70 m.    29
L’alternateur a une longueur totale de 17.37 m et une masse de 240t.
Plaque signalétique
Elle porte:
  Le nom du constructeur et le numéro d’ordre de fabrication,
  Des indications techniques telles que le nombre de phase, puissance
apparente utile, service, tension entre bornes, courant débités, facteur de
puissance,
puissance vitesse de rotation condition d’excitation (tension et intensité
                       rotation,          d excitation
maximales).
  Comme pour les transformateurs, la puissance nominale est exprimée en kVA
et 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
’
  La roue polaire d’’une génératrice triphasée portant p paires de 
  L           l i d’’     é é     i    i h é               i    d
pôles, 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 tension
triphasé 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                 31
polaire.
Caractéristique à vide
 A vide, le stator couplé en étoile, l'induit 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 fé
Eo (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
Réaction Magnétique de L’induit




Si cet alternateur débite dans une charge triphasée 
Si t lt       t    débit d          h     ti h é
                                       ,
équilibrée provoquant un déphasage ψ les
enroulements seront parcourus par des
courants exprimés par:




 Ces courants créent un champ magnétique tournant de même nombre de
paires de pôles et de même vitesse de rotation que le champ tournant
    i     d ôl     td  ê     it      d     t ti      l h     t       t
principal (voir théorème de Ferraris): ELLEUCH réaction magnétique de33
      2010-2011                Mohamed C’est la
l’induit (R.M.I) .
Etude de la RMI
   Le champ tournant de la RMI                                     Phase 1
                                                        L
Φs, d’axe OXf , se compose avec
celui de la roue polaire Φo (d’axe
                            (d axe                 pΩ   X               Xr
                                           M
OX), pour donner le champ
magnétique glissant résultant Φr
(d’axe OXr)
(d’         ).

   Le champ tournant résultant Φr                       O
est le responsable des forces          L
électromotrices Er induites dans                                              L
les enroulements de l’induit.

   Le déphasage entre l’axe du          Phase 2
champ tournant résultant OXr et                                   Xf
                                                   Axe du champ        Phase 3
l’axe du champ glissant créé par
les courants statoriques OXf est                     rotorique
défini par l’angle :
           l angle
    2010-2011                    Mohamed ELLEUCH                             34
Diagramme de la réactance synchrone
                (Behn Eschunburg)




  Eo désigne la fém induite à
         g                                θ
vide lorsque l'excitation est
alimentée par le courant Ie.
            p
  θ: angle interne de l’alt.                  35

   2010-2011            Mohamed ELLEUCH
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
Détermination de la réactance synchrone

On 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
                 saturée
Eo(Ie) est approchée par une droite affine:

   2010-2011                  Mohamed ELLEUCH          37
Détermination de Xs
Lors 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, on
obtient par variation du courant Ie la caractéristique Icc( e)
        p                                          q      (I ).




2010-2011               Mohamed ELLEUCH                    38
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 l'alternateur
dans les conditions d'une charge purement inductive (débitant
sur Xs) donc désaturé !
   2010-2011               Mohamed ELLEUCH                   39
COUPLAGE D'UN ALTERNATEUR SUR
                UN RESEAU
• En général, les centrales p
      g       ,              productrices de l'énergie électrique
                                                   g          q
  sont interconnectées sur le réseau,
• Elles reçoivent tous les jours, d'un organisme central appelé
  "dispatching", un programme qui prévoit et fixe pour les
  différentes heures l'énergie à fournir au réseau national.
• D'autre part, nous savons que le rendement d'un 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
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 Valternateur




2010-2011            Mohamed ELLEUCH                    41
       V1,V2,V3    E1,E2,E3
CONDITIONS DE COUPLAGE
il faut que les bornes homologues de l'alternateur et du
    réseau soient aux mêmes potentiels.
Pour cela, il faut s'assurer 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
STABILITE DE L’ALTERNATEUR
                  ACCROCHE AU RESEAU


   P = 3 V Eo sinθ / Xs
   En négligeant les pertes
dans l'alternateur:
     l alternateur:




                                θ: angle interne de l’alternateur
                                     g
   2010-2011              Mohamed ELLEUCH                    43
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
Couple synchronisant

Pour obtenir une bonne stabilité, on doit avoir un
  couple synchronisant Cs important >0.
       p    y                p
c'est 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 l'alternateur)
                                                 t )
       Ie = 0 (panne de la source d'excitation).

 2010-2011                Mohamed ELLEUCH                  45
Réversibilité de la machine synchrone
• Accrochée au réseau, la machine synchrone passe d'un
  fonctionnement générateur à un fonctionnement moteur selon
                                                  moteur,
  que la machine d'entraînement 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
Fonctionnement en génératrice




  La roue polaire est en avance d'un écart angulaire θ sur les pôles
résultants qui tendent à freiner celle‐ci.
  L'angle interne θ >0 (Eo est en avance de phase sur V),
    2010-2011                Mohamed ELLEUCH                   47
  La machine fournit alors de l'énergie électrique au réseau.
Fonctionnement en moteur
La roue polaire va être freinée par la charge mécanique. Les pôles de la
roue polaire seront retardés sur les p
     p                                pôles résultants d'un écart angulaire
                                                                    g


   Φr
             Φo



                        ≈ Er



                               -j Xs I

              Eo
 2010-2011                       Mohamed ELLEUCH                         48
Cem = Pm/Ω = -3VEO sinθ/(XsΩ)
                            (   )




2010-2011      Mohamed ELLEUCH      49
DEMARRAGE D' UN MOTEUR SYNCHRONE


On alimente l'induit d'un moteur synchrone, la roue
               l induit d un      synchrone
polaire alimentée est immobile.
 A cause de son inertie la ro e polaire voit défiler une
   ca se            inertie, roue         oit         ne
succession de pôles nord et sud à la vitesse de
synchronisme,
synchronisme d'où l'action d'attraction et de répulsion
exercée sur la roue polaire: le couple résultant moyen
est donc nul
          nul.
En conclusion, le moteur synchrone ne peut pas
démarrer en direct sur son réseau d'alimentation.
Cd (Moteur Synchrone) = 0
2010-2011            Mohamed ELLEUCH                50
Procédés de démarrage

Accrochage au réseau
• On entraîne la machine en alternateur à vide grâce à un
  moteur auxiliaire jusqu'à sa vitesse de synchronisme. On
  effectue alors le couplage sur le réseau d alimentation
                                           d'alimentation
  (comme le cas de l'alternateur).
Démarrage en asynchrone
• On démarre en moteur asynchrone (Courant dans la roue
  polaire nul)
          nul).
• La masse de la roue polaire et l'amortisseur 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
Démarrage à fréquence progressive


  Les problèmes de démarrage ne se posent pas dans le cas
d ’un moteur alimenté par un onduleur (dispositif électronique
   un
de puissance) car on peut alors partir d ’une fréquence très
faible que l’on augmente progressivement.




  2010-2011               Mohamed ELLEUCH                    52
Compensateur synchrone
On utilise parfois le moteur en fonctionnement à vide sur le réseau.
 On le surexcite pour qu'il fournisse de la puissance réactive au réseau,
ce qui permet d'améliorer le cosφ du réseau quand sa charge est fortement
inductive.


                  Eo = V + Xs I       Q = 3VI sinφ = - 3VI




2010-2011                   Mohamed ELLEUCH                         53
Bilan des puissances
               Active et Réactive
Flexibilté 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
Réglage de la vitesse
 Un moteur synchrone ne peut fonctionner
qu’au synchronisme.                                    Caractéristique couple
                                                          vitesse du MS
  La vitesse de rotation étant liée à la fréquence
d'alimentation, la caractéristique mécanique se
résume à un segment de droite vertical.
  Le meilleur moyen de faire varier la vitesse
d’un moteur synchrone est de l ’alimenter à
fréquence variable.
                   Ns = 60 f /p
  La tension du réseau est redressée, puis la
tension continue obtenue est transformée en
t   i      ti     bt        tt    f    é
tension AC dans un onduleur (dispositif
électronique de puissance).
  Pour pouvoir garder le
contrôle du couple, on réalise un
asservissement de la MS.

    2010-2011                        Mohamed ELLEUCH                            55
Moteur synchrone:
                    Variation de la vitesse
D’après le diagramme vectoriel, on a :
                                                               Φo
         OA = Eo cosψ = V cosφ

                                                      π/2                     V
                                               o
                                                               φ
                                                           ψ            θ
                                                                   I
                                                                            Φs A

En plus de la variation de la fréquence, il faut asservir la                 -j Xs I
                                                                       Eo
position 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
Moteur synchrone autopiloté




  Le moteur est muni d ’un capteur de position qui permet à un régulateur
électronique «d ’envoyer » au stator le courant ou la tension voulue.
 Un capteur de courant permet de générer les ordres de commutation d'un
onduleur 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                         57
été remplacé par un collecteur électronique.
Moteur Synchrone monophasé

Autre exemple de petit moteur synchrone monophasé : moteur à pôles
saillants 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 plus
garantie.
Parfois, ces moteurs se mettent à fonctionner en asynchrone !!!! (frottement
trop grand ou tension d’alimentation trop faible).

  2010-2011                   Mohamed ELLEUCH                           58
FIN
             Machines
            Synchrones
2010-2011      Mohamed ELLEUCH   59

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Chapitre IV : Les machines synchrones

  • 1. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 1
  • 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 d'énergie 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. Machine Synchrone: Applications (2) Elle porte le nom d'alternateur lorsqu'elle transforme de l'énergie mécanique en é t f d l'é i é i énergie i électrique. Lorsqu'elle fonctionne en moteur, on lui donne le nom de moteur synchrone. Avec le développement de l'électronique 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 d'avantage de puissance p g p puissance. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 3
  • 4. Alternateurs dans une Centrale hydraulique à accumulation y q La Grande Dixence (800 MW, augmentation à 1'200 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. Centrales hydrauliques au fil de l’eau Un barrage de faible hauteur retient l’eau en amont, et la contraint à s’écouler dans les turbines s écouler Centrale hydraulique de Verbois,-Suisse GE (100 MW) η≈90% 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 5
  • 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 gaz Ces 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. Alternateurs dans une Centrale thermonucléaire Turbine Réacteur Alternateur nucléaire Exemple : Gösgen (1'020 MW) A cause des radiations et des prescriptions de sécurité, la température de la vapeur produite dans une telle centrale ne peut être aussi élevée que dans une centrale thermique conventionnelle. 7 Pour cette raison, le rendement est encore plus bas, et ne dépasse pas 33% environ.
  • 8. Moteurs Synchrones Applications dans la traction maritime Depuis les années 80, les paquebots sont équipés de moteurs de  p p q q p propulsion électriques.  Il s’agit généralement de moteurs synchrones  g g y autopilotées d’une puissance unitaire de l’ordre de 20 MW. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 8
  • 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 d 8,8 MW. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 9
  • 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  y puissance maximum de 12,2 MW. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 10
  • 11. LES ALTERNATEURS Les 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. 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 d'une machine asynchrone. hi h Il est soumis à un flux tournant et doit être feuilleté. feuilleté 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 12
  • 13. Stator d’alternateur 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 13
  • 14. Rotor circuit 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 n'est donc pas nécessaire de le feuilleter feuilleter. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 14
  • 15. L’amélioration des caractéristiques des alternateurs Elle 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. Structure des rotors Le 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. Rotor électroaimant 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 17
  • 18. Alimentation d’enroulements de la Roue Polaire ( g (bagues/balais) ) Bague + - Balais Vexcitation 18 Mohamed ELLEUCH
  • 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) 19 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 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 l'action 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 l'encombrement. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 20
  • 21. Alternateur à pôles lisses p Si l ’alternateur est entraîné par une turbine à vapeur ou à gaz, il fonctionnera à vitesse él é (3000 1500 t f ti it élevée (3000, tours/minute). / i t ) Il doit alors avoir un diamètre faible pour résister à la force centrifuge, d ’où une forme allongée. Par exemple: S =100 MVA à 3000 t/m : diamètre rotor 1 m , longueur 5 m S = 1250 MVA ; di èt d rotor = 1 75 ; l diamètre du t 1.75m longueur =17m et l 17 t le poids est de 200 tonnes. Le rotor est donc un cylindre plein portant des encoches périphérique et logeant les bobines excitatrices alimentées en courant continu continu. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 21
  • 22. Exemple d’alternateur à pôles lisses Rotor d’un alternateur de centrale nucléaire (1250 MVA) L alternateur L’alternateur à pôles lisses est utilisé essentiellement dans les centrales thermiques ou nucléaires. 22 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 23. Alternateur à pôles saillants p Si la vitesse est plus faible ce qui est le cas avec certaines turbines hydrauliques , on augmente le diamètre du rotor pour garder une vitesse 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 formée d’une jante assurant le retour du flux magnétique des pôles sur laquelle sont fixés les pôles, chacun avec son bobinage. Les enroulements entourent les noyaux polaires et le nombre de pôles minimal est fixé pratiquement à 4. 23 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 24. Rotor à pôles saillants p 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 24
  • 25. Utilisation • Ce type d’alternateur est utilisé, pour des puissances apparentes de quelques kVA jusqu'à 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. 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. Organisation du Stator Le stator f ll é est constitué par une couronne d tôles feuilleté é de ôl magnétiques d’épaisseur d’environ 0.5 mm et isolées entre elles par du vernis afin de diminuer les pertes par courant de Foucault Foucault. Le stator est pourvu d’encoches dans lesquelles sont distribués les conducteurs d’un bobinage triphasé. g p Les 3 enroulements, comprenant chacun p bobines, sont couplés en étoile. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 27
  • 28. Les turbos alternateurs modernes Puissance allant d quelques di i P i ll t de l dizaines d MW j de jusqu'à environ 'à i les 2 GW Tournent à la plus grande vitesse, c'est-à-dire 3 000 tr/mn. Dans ces conditions, pour augmenter la puissance apparente d’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 les alternateurs à quatre pôles qui sont entrainés à 1500 tr/mn. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 28
  • 29. à à à Exemple:  Exemple: Turboalternateur 1 Turboalternateur 1 300 MW L’ensemble turbo‐ alternateur a une longueur totale de 70 m. 29 L’alternateur a une longueur totale de 17.37 m et une masse de 240t.
  • 30. Plaque signalétique Elle porte: Le nom du constructeur et le numéro d’ordre de fabrication, Des indications techniques telles que le nombre de phase, puissance apparente utile, service, tension entre bornes, courant débités, facteur de puissance, puissance vitesse de rotation condition d’excitation (tension et intensité rotation, d excitation maximales). Comme pour les transformateurs, la puissance nominale est exprimée en kVA et 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. ’ La roue polaire d’’une génératrice triphasée portant p paires de  L l i d’’ é é i i h é i d pôles, 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 tension triphasé 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 31 polaire.
  • 32. Caractéristique à vide A vide, le stator couplé en étoile, l'induit 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 fé Eo (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. Réaction Magnétique de L’induit Si cet alternateur débite dans une charge triphasée  Si t lt t débit d h ti h é , équilibrée provoquant un déphasage ψ les enroulements seront parcourus par des courants exprimés par: Ces courants créent un champ magnétique tournant de même nombre de paires de pôles et de même vitesse de rotation que le champ tournant i d ôl td ê it d t ti l h t t principal (voir théorème de Ferraris): ELLEUCH réaction magnétique de33 2010-2011 Mohamed C’est la l’induit (R.M.I) .
  • 34. Etude de la RMI Le champ tournant de la RMI Phase 1 L Φs, d’axe OXf , se compose avec celui de la roue polaire Φo (d’axe (d axe pΩ X Xr M OX), pour donner le champ magnétique glissant résultant Φr (d’axe OXr) (d’ ). Le champ tournant résultant Φr O est le responsable des forces L électromotrices Er induites dans L les enroulements de l’induit. Le déphasage entre l’axe du Phase 2 champ tournant résultant OXr et Xf Axe du champ Phase 3 l’axe du champ glissant créé par les courants statoriques OXf est rotorique défini par l’angle : l angle 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 34
  • 35. Diagramme de la réactance synchrone (Behn Eschunburg) Eo désigne la fém induite à g θ vide lorsque l'excitation est alimentée par le courant Ie. p θ: angle interne de l’alt. 35 2010-2011 Mohamed ELLEUCH
  • 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. Détermination de la réactance synchrone On 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 saturée Eo(Ie) est approchée par une droite affine: 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 37
  • 38. Détermination de Xs Lors 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, on obtient par variation du courant Ie la caractéristique Icc( e) p q (I ). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 38
  • 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 l'alternateur dans les conditions d'une charge purement inductive (débitant sur Xs) donc désaturé ! 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 39
  • 40. COUPLAGE D'UN ALTERNATEUR SUR UN RESEAU • En général, les centrales p g , productrices de l'énergie électrique g q sont interconnectées sur le réseau, • Elles reçoivent tous les jours, d'un organisme central appelé "dispatching", un programme qui prévoit et fixe pour les différentes heures l'énergie à fournir au réseau national. • D'autre part, nous savons que le rendement d'un 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. 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 Valternateur 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 41 V1,V2,V3 E1,E2,E3
  • 42. CONDITIONS DE COUPLAGE il faut que les bornes homologues de l'alternateur et du réseau soient aux mêmes potentiels. Pour cela, il faut s'assurer 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. STABILITE DE L’ALTERNATEUR ACCROCHE AU RESEAU P = 3 V Eo sinθ / Xs En négligeant les pertes dans l'alternateur: l alternateur: θ: angle interne de l’alternateur g 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 43
  • 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. Couple synchronisant Pour obtenir une bonne stabilité, on doit avoir un couple synchronisant Cs important >0. p y p c'est 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 l'alternateur) t ) Ie = 0 (panne de la source d'excitation). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 45
  • 46. Réversibilité de la machine synchrone • Accrochée au réseau, la machine synchrone passe d'un fonctionnement générateur à un fonctionnement moteur selon moteur, que la machine d'entraînement 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. Fonctionnement en génératrice La roue polaire est en avance d'un écart angulaire θ sur les pôles résultants qui tendent à freiner celle‐ci. L'angle interne θ >0 (Eo est en avance de phase sur V), 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 47 La machine fournit alors de l'énergie électrique au réseau.
  • 48. Fonctionnement en moteur La roue polaire va être freinée par la charge mécanique. Les pôles de la roue polaire seront retardés sur les p p pôles résultants d'un écart angulaire g Φr Φo ≈ Er -j Xs I Eo 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 48
  • 49. Cem = Pm/Ω = -3VEO sinθ/(XsΩ) ( ) 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 49
  • 50. DEMARRAGE D' UN MOTEUR SYNCHRONE On alimente l'induit d'un moteur synchrone, la roue l induit d un synchrone polaire alimentée est immobile. A cause de son inertie la ro e polaire voit défiler une ca se inertie, roue oit ne succession de pôles nord et sud à la vitesse de synchronisme, synchronisme d'où l'action d'attraction et de répulsion exercée sur la roue polaire: le couple résultant moyen est donc nul nul. En conclusion, le moteur synchrone ne peut pas démarrer en direct sur son réseau d'alimentation. Cd (Moteur Synchrone) = 0 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 50
  • 51. Procédés de démarrage Accrochage au réseau • On entraîne la machine en alternateur à vide grâce à un moteur auxiliaire jusqu'à sa vitesse de synchronisme. On effectue alors le couplage sur le réseau d alimentation d'alimentation (comme le cas de l'alternateur). Démarrage en asynchrone • On démarre en moteur asynchrone (Courant dans la roue polaire nul) nul). • La masse de la roue polaire et l'amortisseur 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. Démarrage à fréquence progressive Les problèmes de démarrage ne se posent pas dans le cas d ’un moteur alimenté par un onduleur (dispositif électronique un de puissance) car on peut alors partir d ’une fréquence très faible que l’on augmente progressivement. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 52
  • 53. Compensateur synchrone On utilise parfois le moteur en fonctionnement à vide sur le réseau. On le surexcite pour qu'il fournisse de la puissance réactive au réseau, ce qui permet d'améliorer le cosφ du réseau quand sa charge est fortement inductive. Eo = V + Xs I Q = 3VI sinφ = - 3VI 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 53
  • 54. Bilan des puissances Active et Réactive Flexibilté 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. Réglage de la vitesse Un moteur synchrone ne peut fonctionner qu’au synchronisme. Caractéristique couple vitesse du MS La vitesse de rotation étant liée à la fréquence d'alimentation, la caractéristique mécanique se résume à un segment de droite vertical. Le meilleur moyen de faire varier la vitesse d’un moteur synchrone est de l ’alimenter à fréquence variable. Ns = 60 f /p La tension du réseau est redressée, puis la tension continue obtenue est transformée en t i ti bt tt f é tension AC dans un onduleur (dispositif électronique de puissance). Pour pouvoir garder le contrôle du couple, on réalise un asservissement de la MS. 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 55
  • 56. Moteur synchrone: Variation de la vitesse D’après le diagramme vectoriel, on a : Φo OA = Eo cosψ = V cosφ π/2 V o φ ψ θ I Φs A En plus de la variation de la fréquence, il faut asservir la -j Xs I Eo position 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. Moteur synchrone autopiloté Le moteur est muni d ’un capteur de position qui permet à un régulateur électronique «d ’envoyer » au stator le courant ou la tension voulue. Un capteur de courant permet de générer les ordres de commutation d'un onduleur 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 57 été remplacé par un collecteur électronique.
  • 58. Moteur Synchrone monophasé Autre exemple de petit moteur synchrone monophasé : moteur à pôles saillants 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 plus garantie. Parfois, ces moteurs se mettent à fonctionner en asynchrone !!!! (frottement trop grand ou tension d’alimentation trop faible). 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 58
  • 59. FIN Machines Synchrones 2010-2011 Mohamed ELLEUCH 59