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I      PRESENTATION : 2

II     CONSTITUTION : 2

III    EXPRESSION DES FEM INDUITES : 2

IV    FONCTIONNEMENT DE L’ALTERNATEUR : 3

a ) Fem d’un alternateur à vide. 3

1.    Alternateur monophasé : 3

2.    Alternateur triphasé : 3

b ) Caractéristque à vide : 3

c ) Étude en charge : 4

d ) Modèle équivalent d’une phase de l’alternateur : 4

e ) Diagramme synchrone d’une phase : (diagramme de Fresnel) 4

f ) Détermination des éléments du modèle équivalent : 5

V     BILAN ÉNERGÉTIQUE : 5

VI    REVERSIBILITE DE L’ALTERNATEUR COUPLE SUR UN RESEAU : 7

a ) Fonctionnement : 7

b ) Bilan énergétique : 7

c ) Couple électromagnétique : 8

 

 

 


I                     PRESENTATION :

Une machine synchrone peut fonctionner en alternateur, c’est-à-dire en générateur ou en moteur. C’est un convertisseur réversible qui permet donc la transformation d’énergie mécanique en électrique ou l’inverse.

 

1

 

II                 CONSTITUTION :

Le stator est pourvu d’encoches où sont insérés les conducteurs d’un bobinage monophasé ou triphasé. Ce bobinage est l’induit de la machine.

 

Le rotor porte des aimants ou un bobinage inducteur pour produire un champ magnétique. Dans ce cas une alimentation courant continu est prévue.

 

Principe de fonctionnement en alternateur :

 

Un électro-aimant développant 2 p. pôles et tournant à la vitesse n (tr/s) à l’intérieur d’une spire fixe induit aux bornes de celle-ci une fém alternative de fréquence .  (f en Hertz, n en ts/s.)

 

Symbole

2

 

III              EXPRESSION DES FEM INDUITES :

 

FEM induite dans un enroulement :

 

Un champ magnétique tournant, assimilable à une couronne de 2 p pôles, alternativement Nord et Sud, balaye les conducteurs du bobinage statorique. De ce fait, ils sont le siège d’un phénomène d’induction électromagnétique.

 

A vide, la valeur efficace E de cette fém est proportionnelle :

*      Au flux maximal F embrassé par une spire

*      À la vitesse de rotation n de la machine

*      Au nombre p de paires de pôles de l’inducteur

*      Au nombre N de conducteur de l’enroulement. En triphasé, le bobinage statorique est formé de 3 enroulements, un par phase.

 

On peut écrire : Avec

E en V

N en tr/s-1

F en wb

f en Hz

p et N sans unités.

 

REMARQUE : K est une constante dans la valeur, voisine de 2, est propre à chaque alternateur. On l’appelle coefficient de Kapp.

 

IV             FONCTIONNEMENT DE L’ALTERNATEUR :

 

a ) Fem d’un alternateur à vide

1.      Alternateur monophasé :

 

Le bobinage statorique se réduisant à un enroulement unique, la fém E donnée au paragraphe précédent est aussi celle de l’alternateur à vide :

2.      Alternateur triphasé :

 

On obtient un système triphasé équilibré de 3 fém, chacune d’elles ayant la valeur efficace donnée ci-dessus :

 

La fém de l’alternateur à vide a pour valeur efficace E si les enroulements sont couplés en Δ et si ils sont couplés en Y.

 

 

b ) Caractéristique à vide :

4

c ) Étude en charge :

 

Si un alternateur alimente une installation indépendante, la tension entre ces bornes dépend de l’intensité du courant qu’il débite (valeurs communes aux 3 courants en régime triphasé équilibré) et du facteur de puissance de cette charge.

 

d ) Modèle équivalent d’une phase de l’alternateur :

 

EPN = Fém. à vide (ou synchrone d’une phase

X = Lw est la réactance synchrone

R= est la résistance d’un enroulement

 

 avec Z =R + jX

 

Souvent on pourra négliger la résistance de l’enroulement devant la réactance.

 

REMARQUE :  En triphasé il est important de tenir compte du couplage des enroulements car le modèle est établi pour une phase : il prend en compte la fém à vide et le courant dans un enroulement. L’intensité de ce courant sera notée I en monophasé et en triphasé si les enroulements sont couplés en étoile. Elle sera notée J si les enroulements sont couplés en triangle (en ligne l’intensité du courant est encore I).

 

e ) Diagramme synchrone d’une phase : (diagramme de Fresnel)

 

7

Diagramme synchrone analogue à celui du transformateur.

 

EPN, V et I étant des fonctions sinusoïdales de même fréquence f, on écrit :

 

Souvent le triangle ABC se confond avec le vecteur  (R<<X).

L’angle des vecteurs  est appelé angle de décalage interne.

a ) Détermination des éléments du modèle équivalent :

 

*      La mesure de la résistance Ra entre deux bornes de phases permet de calculer :

*      Un essai à vide (n constant => fréquence constante) donne les variations de EPN en fonction de i.

*      Essai de court-circuit (induit court-circuité), on relève les variations de Icc en fonction de i. Pour une phase et une valeur de i donnée

 

*      Si l’alternateur n’est pas saturé, les courbes précédentes sont linéalisables : le modèle équivalent est linéaire : (X = cte). La saturation impose la détermination de EPN et de X pour chacun des points de fonctionnement. (la variation de EPN en fonction i n’étant plus linéaire).

 

I                     BILAN ÉNERGÉTIQUE :

 

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*      Puissance reçue par l’alternateur :

 

PM en watts

TN en Nm

W en rd.s-1

 

Si l’alternateur n’est pas auto-excité, il faut ajouter la puissance électrique fournie à l’enroulement inducteur et qui est dissipée par effet Joule dans le rotor.

 

 

*      Pertes dites constantes déterminées par un essai à vide :

Pm = pertes mécaniques (fonction de la vitesse de rotation n)

Pf = pertes fer (fonction du flux et de la fréquence)

*      Pertes par effet Joule statorique :

Pour un alternateur monophasé :

 

Pour un alternateur triphasé :

 

R : valeur de la résistance mesurée entre 2 bornes de phase du stator.

I : intensité en ligne.

 

*      Puissance utile : P

Ø      En monophasé :

Ø      En triphasé :

 

*      Rendement :

Ø      Alternateur qui n’est pas auto excité :

Ø      Alternateur auto excité :

Ø      Autres relations :

 

II                 REVERSIBILITE DE L’ALTERNATEUR COUPLE SUR UN RESEAU :

a ) Fonctionnement :

En alimentant le bobinage statorique, on obtient un champ magnétique tournant. A la fréquence f du réseau correspond une vitesse de rotation n (vitesse de synchronisme noté ns) telle que  soit.

 

L’enroulement rotorique alimenté comme pour le fonctionnement en alternateur fournit un autre champ magnétique qui tourne avec le rotor.

 

En fonctionnement normal, le champ rotorique est « accroché » au champ statorique et le rotor est entraîné à la vitesse de synchronisme n.

 

Le moteur tourne à cette vitesse constante tant que le moment du couple qu’il doit fournir ne dépasse pas une limite appelée moment du couple de décrochage.

 

Pour fonctionner en moteur synchrone, la machine doit être démarrée et il faut lui faire atteindre une vitesse de rotation voisine de la vitesse de synchronisme.

 

Des dispositifs auxiliaires sont prévus : possibilité de démarrage en asynchrone ou emploi d’un moteur auxiliaire pour un démarrage à vide.

 

b ) Bilan énergétique :

 

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*      -Puissance électrique reçue par le moteur :

 

 

A cette puissance il faut ajouter la puissance électrique fournie à l’enroulement inducteur.

 

 

*      Pertes dites constantes :

Ce sont les mêmes pertes que pour le fonctionnement en alternateur.

 

      Pm : perte mécanique

 

*      Pertes par effet Joules statorique :

 

 

R : Valeur de la résistance entre deux bornes de phase du stator.

  : Intensité efficace du courant en ligne.

 

*      Puissance utile du moteur :

 

Avec

 

*      Rendement :

 

 

c ) Couple électromagnétique :

 

Si les diverses pertes sont négligées, on peut dire que le moteur reçoit une puissance P et fournit une puissance mécanique T en W si o appelle tem le moment du couple obtenu appelé couple électromagnétique.

 

 

REMARQUE 1 : Le modèle équivalent de l’alternateur est utilisable pour représenter le moteur synchrone. Dans ce cas, on utilise la convention récepteur.

 

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REMARQUE 2 : Pour un repère de fonctionnement, on peut trouver le diagramme de Fresnel.

 

REMARQUE 3 : Le moteur synchrone a un comportement capacitif.

 

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TERMINALE
STI