Machine synchrone - Physique Appliquée - Free

Machine synchrone

Machine synchrone 1
I) Principes des transmissions mécaniques synchrones (transmission de
couple) 3
I.1) Transmissions par engrenages ou par courroies 3
I.2) Transmission magnétique par aimants (champ d'excitation magnétique
H) 3
I.3) Principe de la machine synchrone 3
II) Symbole 3
III) Constitution 4
III.1) Stator 4
III.2) Rotor 4
III.2.1) A aimant permanent 4
III.2.2) Rotor bobiné 4
IV) Principe de fonctionnement : 5
IV.1) Excitation des machines synchrones : 5
IV.2) Fem induite : 5
IV.2.1) Fem théorique dans un enroulement : 5
IV.2.2) Facteur de bobinage (ou d'enroulement) : 5
IV.2.3) Facteur de forme Kf : 5
IV.2.4) Coefficient de Kapp : 5
V) Modèle équivalent de la machine : 6
V.1) Modèle équivalent de Behn Eschenburg pour un enroulement
d'alternateur: 6
V.2) Diagramme de Potier: 7
V.3) Détermination des éléments du modèle : 7
V.3.1) Etude à vide : détermination de EPN 7
V.3.2) Etude en court-circuit 8
V.3.3) Détermination de r 8
V.3.4) Détermination de X 8
VI) Bilan de puissance: 8
VII) Réversibilité : 9
VII.1) Fonctionnement en alternateur : 9
VII.2) Fonctionnement en moteur : 9
VIII) Fonctionnement en alternateur. 9
VIII.1) Modèle équivalent et diagramme simplifié : 9
VIII.2) Réaction magnétique d'induit : 10
VIII.3) Caractéristiques de l'alternateur : 10
VIII.3.1) Plaque signalétique: 10
VIII.3.2) Caractéristiques à vide EV = f(iexc) et en court circuit JCC
= f(iexc): 10
VIII.3.3) Caractéristiques en charge : V=f(J) avec n et iexc constants
11
VIII.3.4) Caractéristiques de réglage : iexc=f(J) à f=fn, V=VN et cos (
constants 11
VIII.3.5) Caractéristiques en charge : V=f(iexc) à f=fN, I=cte et
(=cte. 11
VIII.3.6) Courbe de Mordey :J=f(iexc) ) à f=fN, Pu=cte et V=VN. 12
IX) Fonctionnement en moteur synchrone : 12
IX.1) Schéma équivalent 12
IX.2) Expression du couple 12
IX.3) Fonctionnement à excitation constante : 13
IX.4) Caractéristique mécanique Cm=f(n). n=ns=cte. 13
IX.5) Propriétés du moteur synchrone : 13
X) Bilan sur les fonctionnements d'une machine synchrone sur un réseau :
V=cte, f=cte. 14
X.1) Couplage des machines synchrones sur le réseau : 14
X.1.1) Conditions de couplage : 14
X.2) Schéma récapitulatif. 14
X.3) Explications. 16
X.3.1) Fonctionnement à vide : (pertes négligées). 16
X.3.2) En charge, rotor accéléré: Génératrice 17
X.3.3) En charge, rotor ralenti: 17
XI) Autopilotage de la machine synchrone : 18
XI.1) Autopilotage de la machine synchrone : 18
XI.2) Moteur Brushless et autopilotage avec capteur à effet Hall ou
sans : 19
XII) Bibliographie : 19


1 Principes des transmissions mécaniques synchrones (transmission de
couple)


1 Transmissions par engrenages ou par courroies

Explorons les transmissions synchrones les plus abordables
[pic]
Si r1 = r2, les 2 axes tournent en synchronisme. La transmission du couple
est indépendante de la charge, et le couple moteur est intégralement
transmis à celle-ci : C1(moteur) = C2(résistant).

2 Transmission magnétique par aimants (champ d'excitation magnétique H)

[pic]
On a toujours : C1(moteur) = C2(résistant).). Mais :
a) Le couple qu'il est possible de transmettre est limité.
b) À vide ( = 0. Mais en charge l'angle ( séparant les deux aimants
augmente avec le couple résistant. On montre que le couple transmissible
vaut : [pic]
|[pic] | |
| |- à vide (couple résistant |
| |nul), ( = 0 |
| |- ( augmente avec la charge |
| |- C est maximum pour ( = (/2 |
| |- au-delà, il diminue. |


c) Conséquences :
- au démarrage, si la vitesse de rotation n1 augmente brusquement, il est
probable que l'inertie de la charge empêche une variation instantanée
de n1 = 0 à n1 = n2. L'angle ( variant alors de 0 à 2(, la valeur
moyenne de sin ( est nulle, il n'y a pas de couple transmis. Le système
ne démarre pas.
- en marche, si le couple résistant augmente, ( peut dépasser la valeur
de (/2. Le système devient instable, car le couple transmis diminue
alors que la charge augmente. La transmission s'interrompt rapidement.
On dit qu'elle "décroche".

3 Principe de la machine synchrone

C'est un convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique
(alternateur) ou inversement (moteur synchrone) qui effectue une
transmission magnétique synchrone, avec ses limitations...
Le champ magnétique entrainant le rotor équivalent à un aimant est créé
par des bobinages créant un champ magnétique tournant dans l'entrefer à
une vitesse
|[pic] |nS : vitesse du champ tournant en tr/s |
| |f : fréquence de la tension |
| |d'alimentation en Hz |
| |p : nombre de paires de pôles |


2 Symbole


Symbolisation d'une machine synchrone triphasée :
[pic]

3 Constitution


1 Stator

Le stator est un bobinage polyphasé (en général branché en Y), qui engendre
un champ tournant.
Il est pourvu d'encoches dans lesquelles sont distribués les conducteurs
d'un bobinage triphasé (fer mieux utilisé et fonctionnement plus souple).
Le stator est feuilleté pour diminuer les pertes magnétiques.


2 Rotor


1 A aimant permanent

Pour les petites puissances (usuellement < 10 kW), le rotor est à aimants
permanents. N'ayant ni collecteur ni balais, le moteur est appelé
"brushless".

2 Rotor bobiné

Pour des puissances plus importantes, le rotor est bobiné. Son alimentation
en courant continu (connexions du + et du -) peut être assurée par un
collecteur à deux bagues (beaucoup plus simple que celui d'une MCC). Il est
aussi possible d'associer sur le même arbre une deuxième MS fonctionnant en
alternateur, à aimants permanents, de puissance inférieure, débitant dans
un pont redresseur tournant qui alimente le rotor de la machine principale.
Il n'y a alors ni bagues, ni balais.


|-Pôles saillants : pièces polaires rapportées |[pic] |
|sur une culasse, autour desquelles sont | |
|bobinés les enroulements d'excitation. Vitesse| |
|de rotation plus faible et grand nombre de | |
|pôles. (f=pn). Ces alternateurs sont | |
|généralement associés à des turbines | |
|hydrauliques. (Faibles ou moyennes puissances,| |
|coût plus faible) ; l'entrefer n'est pas | |
|constant d'où une modélisation difficile. | |
|-Pôles lisses : L'enroulement d'excitation est|[pic] |
|placé dans des encoches. Entrefer constant. | |
|Ces machines sont robustes et supportent de | |
|grandes vitesses de rotation. Machines de | |
|fortes puissances (50000 kVA) : | |
|turboalternateurs (alternateur + turbine à | |
|vapeur). | |

[pic][pic]


4 Principe de fonctionnement :


1 Excitation des machines synchrones :

L'inducteur est alimenté par un courant continu. C'est un électroaimant.
Son rôle est de créer un champ magnétique. Ce champ magnétique est un champ
tournant car le rotor tourne.
-On peut utiliser une source extérieure (balais + bagues).
-Utilisation d'une génératrice à courant continu montée en bout d'arbre. Le
réglage du courant se fait par le réglage du courant inducteur de la
génératrice.
-Utilisation d'une excitation statique. Pas de collecteur, pas
d'étincelles...

Excitation statique.
[pic][pic]


2 Fem induite :


1 Fem théorique dans un enroulement :

Le champ inducteur est supposé à répartition sinusoïdale donc le flux [pic]
, avec ( = 2 ( f = 2 ( p nS = p (
Or la fém induite dans une spire est [pic] d'où [pic] et comme ( = p (
alors [pic]
La valeur efficace E1 de e1(t) est donc [pic] et comme (=2 ( nS [pic]

Si le nombre de conducteurs par enroulement est N, le nombre de spires est
N/2. , d'où la valeur efficace de la fém théorique

[pic]

2 Facteur de bobinage (ou d'enroulement) :

La fem pratique est légèrement différente de la fem théorique.
Elle est multipliée (entre autres) par un facteur Kb qui prend en compte la
façon dont est réellement réalisé un enroulement. (plusieurs encoches
utilisées ...) Kb=KdKrKi < 1

3 Facteur de forme Kf :

Le champ magnétique dans l'entrefer n'est pas sinusoïdal.
Facteur correctif Kf . Kf >1

4 Coefficient de Kapp :

|La fem induite par un champ tournant à la |E : f.é.m. induit (V) |
|vitesse (S a une pulsation ( = p(S et est égale|K : coefficient de Kapp |
|à : |N : nombre de conducteurs d'une |
|[pic] [pic] |phase de la machine (1 spire = 2 |
| |conducteurs) |
| |[pic]: flux maximum à travers un |
|