FONCTIONNEMENT SYNCHRONE

Pour quantité de gens, le fonctionnement d’un alternateur synchrone est particulièrement mystérieux. Voilà une énorme machine qui tourne à vitesse constante quelle que soit l’ouverture de la vanne de vapeur de 4 à 24 pouces qui la commande, et dans le même temps cette vanne peut même être complètement ouverte ou complètement fermée. Le changement du flux de vapeur entraînant la machine change la puissance de sortie de cette machine mais n’a aucun effet sur sa vitesse.

Et il y a aussi l’étrange principe de la puissance réactive. Les débits de puissance réactive ne sont pas censés consommer d’énergie mais ils changent quand même à mesure que les vannes de vapeur s’ouvrent ou se ferment.

Le changement de l’excitation d’un alternateur change la tension exercée aux bornes, mais de peu. L’effet est négligeable à côté de celui que peut produire le changement d’excitation sur la machine si elle n’est ni synchronisée ni raccordée au réseau de distribution électrique.

circuit d’excitation. La puissance de ce champ est constante et il tourne dans la machine à la même vitesse que le rotor. L’amplitude est

directement proportionnelle au courant inducteur (à condition que le circuit magnétique ne soit pas saturé).

Figure 1

Champ magnétique du rotor

Le second champ magnétique est celui établi par la circulation du courant dans l’enroulement triphasé du stator. Si une alimentation triphasée est connectée à trois enroulements diposés autour du noyau de l’alternateur, l’enroulement produit un champ magnétique rotatif.

La force du champ magnétique dépend de la circulation du courant dans l’enroulement et la vitesse de rotation dépend de la fréquence de l’alimentation. Avec une machine à deux pôles alimentée à une

fréquence de 60 Hz, la vitesse de rotation est de 60 tours par secondes, soit 3 600 tr/min.

Notes:

Notes

Figure 2

Champ magnétique du stator

C’est l’interaction entre ces deux champs magnétiques qui produit dans l’alternateur la force nécessaire pour le tranfert de l’énergie au réseau de distribution électrique. Avec les gros alternateurs, cette force peut être de l’ordre de 10⁶ Newtons. Une telle force permettrait

d’envoyer des vaisseaux spatiaux de bonne taille dans l’espace. Dans les machines synchrones, c’est une force de cette ordre de grandeur qui fait tourner le rotor à la vitesse déterminée par la fréquence du réseau.

Le champ magnétique produit par le courant du stator et le champ magnétique du rotor se verrouillent l’un à l’autre et tournent à la même vitesse dans une rotation sans fin.

Les champs magnétiques ne s’alignent pas parfaitement, à moins que la machine ne produise aucune puissance à la sortie. Un angle existe entre ces champs. Cet angle porte le nom d’angle de charge ou d’angle de couple. Il est lié à la puissance produite par la machine.

4.3.2 Force entre les champs magnétiques

La force qui existe entre les champs magnétiques est la force qui existe entre l’arbre et le réseau de distribution électrique. C’est cette force qui permet de transférer l’énergie de l’arbre au réseau électrique.

Si les champs sont parfaitement alignés et ne forment donc aucun angle entre eux, aucune force n’est produite et aucune énergie n’est transférée. C’est l’état de charge à vide. Les vannes régulatrices sont

Figure 3

Force entre les champs

Si une plus grande quantité de vapeur est admise, l’angle augmente (et le sinus de l’angle augmente aussi), la force s’opposant à la rotation augmente et la vitesse de la machine reste constante. Si la force d’un des deux champs magnétiques est augmentée, la puissance de sortie de la machine reste constante, mais la force augmentée entre les champs repousse le rotor vers sa position de charge nulle et l’angle de charge augmente. La puissance de sortie ne peut pas changer. C’est le flux de la vapeur dirigée dans la machine qui détermine seul la puissance.

L’énergie d’entrée est toujours égale à l’énergie de sortie.

Deux éléments peuvent subir des changements pendant le

fonctionnement d’une machine synchrone individuelle : la vanne régulatrice et la force du champ du rotor. Ces changements ont une influence sur l’angle de charge. Si la force du champ est augmentée, l’angle de charge diminue, mais la charge reste la même. Si le flux de vapeur est augmenté, l’angle de charge augmente, et la puissance de sortie augmente également.

4.3.3 Alternateur fonctionnant comme un moteur Si les vannes régulatrices sont fermées et laissent entrer moins d’énergie que nécessaire pour compenser les pertes dues à la friction, le rotor a tendance à ralentir. Les champs magnétiques se désalignent et une force est produite pour pousser le rotor dans le sens de la rotation. L’alternateur fonctionne à ce moment comme un moteur synchrone. Le fonctionnement à l’état de moteur peut être ou ne pas être imposé à un alternateur. La plupart des alternateurs à turbine des

Notes:

Notes centrales CANDU peuvent fonctionner comme un moteur pendant un

temps relativement court.

4.3.4 Limites

Ce phénomène a ses limites. Si la machine atteint les 90°, elle atteint en même temps la puissance de sortie maximale permise par la force des champs magnétiques. Si la puissance appliquée à l’entrée de la machine pousse le rotor au delà des 90°, la force de retardement appliquée à l’arbre n’augmente plus mais se met à diminuer. Le rotor se met à accélérer. Il se met à tourner plus vite que le champ

magnétique de l’induit. Mais n’oublions par les millions de Newtons de la force que les champs magnétiques peuvent produire. Le rotor cherche à prendre un tour de plus, ce qui fait subir une très forte contrainte à la machine, car à ce moment l’incroyable force

magnétique impose à l’arbre un tel couple que la machine risque d’être détruite avant même d’être accélérée. Un tel couple ne peut

qu’endommager la machine, et parfois de façon catastrophique. Ce phénomène s’appelle le glissement de pôle. Notons ici que la mesure de l’angle de charge est une mesure d’angle électrique. Ces angles ne sont équivalents que dans le cas des machines à deux pôles. Avec les machines à quatre pôles, l’angle de décalage mécanique de l’arbre de l’alternateur fait la moitié de l’angle de charge. Avec les machines dotées d’encore plus de pôles, l’angle mécanique est encore plus petit.

4.3.5 Alternateur synchrone - Circuit équivalent

La première idée qui vient à l’esprit pour expliquer le comportement d’un alternateur synchrone est celle de l’angle de charge, avec sa façon de changer en fonction de la force du champ et de changer en fonction de la charge. La seconde idée est celle du circuit équivalent simplifié.

Ce circuit comprend un alternateur, un inducteur et une charge. Une tension fixe est appliquée à ce circuit par le réseau électrique.

L’alternateur est une machine théorique. La tension Eg produite est directement proportionnelle à la force du champ magnétique du rotor.

Si le courant d’excitation est aumenté, Eg augmente. La phase de Eg est

SYSTEM = SYSTÈME

Figure 4

Alternateur - Circuit équivalent simplifié

4.4 DIAGRAMME DE PHASEUR EN RÉGIME ÉTABLI