Machine synchrone fonctionnant en alternateur

1/ Description de la machine synchrone :

Le rotor est constitué d’un enroulement parcouru par un courant d’excitation  continu créant un champ magnétique 2p polaire. Il possède donc p paires de pôles. C’est l’inducteur de la machine.

Le stator porte dans des encoches convenablement réparties un enroulement triphasé créant le même nombre de pôles : c’est l’induit de la machine.

Le courant continu est amené au rotor par le biais de deux balais fixes frottant sur deux bagues rotoriques.

Suivant la vitesse de rotation, on distingue :

" Les rotors à pôles lisses (turboalternateurs, moteurs à grandes vitesses).

On utilise les rotors à pôles lisses dans les turbines à vapeur qui tournent à haute vitesse (1800 tr/min à 3600 tr/min). Le rotor a une forme cylindrique, car les pôles sont formés en plaçant des bobines dans des encoches qui sont faites sur le rotor. Les forces centrifuges occasionnées par la grande vitesse de rotation imposent une limite au diamètre du rotor.

" Les rotors à pôles saillants (hydro alternateurs, moteurs à basses vitesses).

Le rotor à pôles saillants est utilisé pour les alternateurs dans les centrales hydrauliques dont les turbines tournent à des vitesse très basses, de l’orde de 50 à 300 tr/min. Les pièces polaires sont placées sur une roue en acier, montée sur un arbre vertical. Les bobinages d’excitaton placés sur les pièces polaires sont constitués de barres de cuivre.

2/ Principe de fonctionnement :

Le rotor, alimenté par un courant continu crée un champ fixe à p paires de pôles. Le stator contient trois enroulements décalés l’un par rapport à l’autre de 120° dans l’espace. Si le rotor est entraîné à une vitesse , on observe aux bornes des bobines statoriques trois f.e.m formant un système triphasé équilibré. La fréquence de ces f.e.m dépend de la vitesse de rotation du rotor.

3/ Fonctionnement à vide :

Soit n le nombre de conducteurs par phase. La répartition de l’induction dans l’entrefer est sinusoïdale :  

 Pour une spire, la f.e.m induite est

La variation du courant d’excitation Ie détermine la valeur et donc la f.e.m  E. Lorsque le fer se sature, l’augmentation du courant continu d’excitation ne modifie plus la fem E.

Le point de fonctionnement P se trouve généralement entre les points A et B. Sous le point A, la machine serait sous exploitée. Au-dessus du point B, une forte augmentation de Ie ne produit qu’une faible augmentation de E. L’asservissement devient impossible.

4/ Fonctionnement en charge:

Lorsque la machine (alternateur) est en charge, les trois phases statoriques débitent un système de courants  triphasé équilibré :

Le système de courants engendre un champ tournant qui va se superposer au champ d’excitation pour donner un champ résultant responsable des nouvelles valeurs de tensions en charge.

Pour connaître les nouvelles valeurs de ces tensions, on adopte dans le cas d’une machine à pôles lisses non saturée le moodèle de Behn Eshenburg.

On écrit

R : résistance par phase ; X=Lw : réactance de Behn Echenburg.(l’inductance L tient en compte l’inductance réelle de l’enroulement et de la réaction magnétique d’induit) ;

" l’inducteur est équivalent à une résistance. Toute l’énergie absorbée à l’inducteur est perdue par effet joule .

Diagramme vectoriel :

Détermination des paramètres :

E0 : Un essai à vide à vitesse d’entraînement constante permet de tracer la caractéristique à vide .

R : La résistance par phase est mesurable à l’aide d’un ohmmètre.

X : La réactance de Behn Echenburg se détermine par un essai en court circuit.

On peut écrire :

Il vient alors :