L’alternateur synchrone Électricité 2 — Électrotechnique Christophe Palermo

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L’alternateur synchrone

Électricité 2 — Électrotechnique

Christophe Palermo

IUT de Montpellier Département Mesures Physiques

&

Institut d’Electronique du Sud Université Montpellier 2 Web :http://palermo.wordpress.com

e-mail :cpalermo@um2.fr

Année Universitaire 2010–2011

MONTPELLIER

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Plan

1 Présentation Applications

Définition et intérêts Principe de fonctionnement

2 Technologie de l’alternateur synchrone Les circuits électriques

Paires de pôles Symboles électriques

3 Fonctionnement de l’alternateur synchrone Schémas électriques équivalents

Grandeurs d’une phase Caractéristique en charge

Diagramme de Behn-Eschenburg

Bilan des puissances dans l’alternateur synchrone

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Présentation

Plan

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Présentation Applications

Barrage hydroélectrique

106

Exemple d

Exemple d’ ’utilisation d utilisation d’ ’un alternateur un alternateur

Centrale hydroélectrique « au fil de l’eau »

Énergie de l’eau.Renouvelable.

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Centrale nucléaire

On fait bouillir de l’eau. Aussi possible avec du pétrole, du charbon, etc.

Non-renouvelable.

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Turbines et alternateurs

Dans tous les cas, on utilise des turbines

des arbres de transmission des alternateurs

en 2009, par rapport à 2008 519 TWh = 519 milliards de kWh

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Présentation Définition et intérêts

Définition de l’alternateur

Un alternateur synchrone

C’est une machine électrique tournante fonctionnant en mode génératrice et produisant de l’énergie électrique alternative

Énergie mécanique =⇒ énergie électriquealternative

Alternateur triphasé : produit 3 phases (+ un neutre si besoin) Alternateur monophasé : produit 1 phase + 1 neutre

Machine réversible : moteur synchrone←→ alternateur synchrone

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Définition de l’alternateur

Un alternateur synchrone

C’est une machine électrique tournante fonctionnant en mode génératrice et produisant de l’énergie électrique alternative

Énergie mécanique =⇒ énergie électriquealternative

Alternateur triphasé : produit 3 phases (+ un neutre si besoin) Alternateur monophasé : produit 1 phase + 1 neutre

Machine réversible : moteur synchrone←→ alternateur synchrone

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Intérêts

Production de fortes puissances et de faibles puissances Utilisation d’un principe simple

Rendements très élevés (proches de 100 % en fortes puissances) Electricité naturellement alternative (idéal pour transformateurs) Alternateur triphasé

À la base depresque toutela production mondiale d’électricité

Barrages, centrales nucléaires, centrales thermiques à flammes, etc.

Mais aussi : dans les voitures, les avions, les groupes électrogènes, les petites éoliennes, etc.

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Présentation Principe de fonctionnement

Principe de fonctionnement

Champ magnétique tournant à 50 tr/s φvariable =⇒ −dφ/dt6=0

Bobine : siège d’une f.é.m induite de 50 Hz 1 tour=360 ˚ = 2πradians

Trois bobines décalées de 120 ˚ = 2π/3 radians

Chaque bobine est le siège d’une f.é.m induite De fréquence 50 Hz

Décalés d’1/3 de période soit 120˚=2π/3

e=BSNω (∝Bω) Système triphasé équilibré

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Présentation Principe de fonctionnement

Principe de fonctionnement

Champ magnétique tournant à 50 tr/s φvariable =⇒ −dφ/dt6=0

Bobine : siège d’une f.é.m induite de 50 Hz 1 tour=360 ˚ = 2πradians

Trois bobines décalées de 120 ˚ = 2π/3 radians

Chaque bobine est le siège d’une f.é.m induite De fréquence 50 Hz

Décalés d’1/3 de période soit 120˚=2π/3

e=BSNω (∝Bω) Système triphasé équilibré

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Technologie

Plan

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Technologie Les circuits électriques

Schéma de construction simplifié

120° B

1 1

2

2 3

3

Au minimum : 2 bobines / phase = 1 paire de pôles / phase Rotor = (électro)-aimant tournant

Stator = bobines induites

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Le rotor = l’inducteur

Rôle mécanique du rotor : absorber la puissancemécanique Rôle électro-magnétique du rotor : l’inducteur

Crée un champ magnétiquecontinu

Constitue la commande (circuit de réglage de la tension produite)

Faible puissance : aimants permanents (brushless)

inconvénient : pas de réglage possible de la tension produite Fortes puissances : électro-aimant

Courant continu d’excitationi: réglage possible

Inconvénient : apport par des bagues et des balais (ou par une génératrice)

Vocabulaire :

Rotor = roue polaire

Courant inducteur = courant d’excitation

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Le rotor = l’inducteur

Rôle mécanique du rotor : absorber la puissancemécanique Rôle électro-magnétique du rotor : l’inducteur

Crée un champ magnétiquecontinu

Constitue la commande (circuit de réglage de la tension produite)

Faible puissance : aimants permanents (brushless)

inconvénient : pas de réglage possible de la tension produite Fortes puissances :électro-aimant

Courant continu d’excitationi: réglage possible

Inconvénient : apport par des bagues et des balais (ou par une génératrice)

Vocabulaire :

Rotor = roue polaire

Courant inducteur = courant d’excitation

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Le stator = l’induit

Rôle mécanique du stator : stabiliser la structure Rôle électro-magnétique : le stator est l’induit

Siège des forces électromotrices induites

Délivre la puissanceélectrique: circuit de sortie

Constitué de :

Cylindre ferromagnétique entaillé d’encoches

=⇒ meilleure induction

Empilement de tôles pour limiter les courants de Foucault =⇒ moins de pertes

Technologie :

2 bobinages par phase au moins : 1 paire de pôles / phase

Amélioration : plusieurs paires de pôles par phase

Le stator

Le stator = = = = = = = = l’ l ’inducteur inducteur

Le stator (élément statique) = l’inducteur (qui crée le champ) Relié au réseau

Constitué de :

! Cylindre ferromagnétique entaillé d’encoches

! Empilement de tôles pour limiter les courants de Foucault

Bobinages :

! Décalés de 120 °= 2!/3 dans l’espace

! Alimentés par des courants triphasés équilibrés

Création d’un champ magnétique tournant B

IUT de Montpellier (Mesures Physiques) L’alternateur synchrone 2010–2011 13 / 27

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Technologie Paires de pôles

Paires de pôles

n_s dépend de l’environnement :

Centrales thermiques (nucléaire, flammes), à vapeur d’eau : 1500 à 3000 tr/min

Centrales hydroélectriques, fil de l’eau : 100aine de tr/min f est imposée par le réseau

EDF : 50 Hz, USA : 60 Hz

p permet des’adapter

f =p·ns

f : fréquence des f.é.m et des courants induits (Hz) p : nombre depaires de pôles (1)

n_s : vitesse de rotation du rotor (de synchronisme) (tr/s)

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Technologie Symboles électriques

Symboles électriques

~

−

− ^Rotor

Stator 3

2

1 1 2 3

GS

~

3 GS 3

GS dans le stator-induit = Génératrice Synchrone 3 ∼dans le stator-induit = système triphasé – dans le rotor-inducteur = courant continu

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Fonctionnement

Plan

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Fonctionnement Schémas électriques équivalents

Schéma électrique équivalent

Chaque phase : générateur réel Schéma électriqued’une phase de l’alternateur :

rs Xs

Dans chaque phase : courant J tension V

r_s : résistance de l’enroulement enΩ

X_s =L_sω : réactance synchrone

“effet secondaire” de l’induction enΩ

Mailles : E = (r_s+jX_s)J+V Dans la pratique :rs <<Xs

Dans une phase de l’alternateur E =jX_s ·J+V

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Schéma électrique équivalent

Chaque phase : générateur réel Schéma électriqued’une phase de l’alternateur :

rs Xs

Dans chaque phase : courant J tension V

r_s : résistance de l’enroulement enΩ

X_s =L_sω : réactance synchrone

“effet secondaire” de l’induction enΩ

Mailles : E = (rs+jXs)J+V Dans la pratique :rs <<Xs

Dans une phase de l’alternateur E =jX_s·J+V

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Branchements en production

Alternateurs équilibrés

Possibles en étoile (Y) ou en triangle (∆) En étoile :

I =J U =√

3V

En triangle : I =√

3J U =V

230 V

400 V 10 A

230 V 17 A

Le plus souvent en étoile :

Tensions plus élevées pour une même machine (production deV) Courants plus faibles pour une même puissance (production deJ) Création du neutre

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Fonctionnement Grandeurs d’une phase

Force électromotrice

Mesurons la force électromotrice E d’une phase !Comment faire ?

E =jXs·J+V Je veux annulerJ

J’enlève la charge (électrique) de l’alternateur J’obtiens alorsE =V (en valeurs efficaces)

Avec un voltmètre¹ : je mesureE à l’induit Toujours vrai, à retenir

Pour mesurer la f.é.m d’un générateur, je le fais fonctionner à vide et je mesure la tension disponible entre ses bornes.

1Un voltmètre mesure des valeurs efficaces en alternatif

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Force électromotrice

Mesurons la force électromotrice E d’une phase !Comment faire ? E =jXs·J+V

Je veux annulerJ

J’enlève la charge (électrique) de l’alternateur J’obtiens alorsE =V (en valeurs efficaces)

Avec un voltmètre¹ : je mesureE à l’induit Toujours vrai, à retenir

Pour mesurer la f.é.m d’un générateur, je le fais fonctionner à vide et je mesure la tension disponible entre ses bornes.

1Un voltmètre mesure des valeurs efficaces en alternatif

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Caractéristique interne

Caractéristique interne :E(i) Mesurée :

à ns =cste à J=0 On remarque :

Une zone linéaire (fonctionnement) Une zone de saturation E 6=0 quandi =0 (champ rémanent)

Du point de vue de l’utilisateur non-spécialiste

Le courant inducteur permet de régler la tension (d’induit) produite

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La réactance synchrone

Mesurons la réactance synchrone Xs d’une phase !Comment faire ?

E =jX_s·J+V

AnnulerV : placer l’induit encourt-circuit (J =Jcc) En valeurs efficaces :Xs(i) =E(i)

Jcc

Aveci :

je contrôle la f.é.mE

je contrôle le courant de sortie (à l’induit)J_cc =J_cc(i) Mesures :

J’aidéjà mesuréE

Avec un ampèremètre² : je mesureJcc dans l’induit Attention: plusieurs valeurs deE disponibles

=⇒Je choisis la zone linéaire (loin de la saturation)

2Un ampèremètre mesure des valeurs efficaces en alternatif

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La réactance synchrone

Mesurons la réactance synchrone Xs d’une phase !Comment faire ? E =jX_s·J+V

AnnulerV : placer l’induit encourt-circuit (J =Jcc) En valeurs efficaces :Xs(i) =E(i)

Jcc

Aveci :

je contrôle la f.é.mE

je contrôle le courant de sortie (à l’induit)J_cc =J_cc(i) Mesures :

J’aidéjà mesuréE

Avec un ampèremètre²: je mesure Jcc dans l’induit Attention: plusieurs valeurs deE disponibles

=⇒Je choisis la zone linéaire (loin de la saturation)

2Un ampèremètre mesure des valeurs efficaces en alternatif

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Mesure en court-circuit

Caractéristique en court-circuit :Jcc(i) Mesurée :

à ns =cste à V =0

Linéaire : coefficient de proportionnalité Unique moyen pour mesurerXs

Courant de court-circuit :

Paramètre important d’un générateur Générateur meilleur quandJcc est grand

A

Icc = Jcc

J

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Fonctionnement Caractéristique en charge

Caractéristique externe

Caractéristique externe = caractéristique en charge = U(I) Mesurée :

à ns =cste à i=cste à cosϕ=cste Courbes :

C₁: résistances C2: inductances C3: capacités On remarque :

Influence de la charge Inductances : plus de pertes

J

ϕest toujours mesuré du courant vers la tension

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Fonctionnement Caractéristique en charge

Remarque sur la caractéristique en charge

Allure valable quel que soit le générateur alternatif alternateur, transfo, GBF, etc.

Responsable des problèmes de sous-tension Circuit type : inductif à cause des câbles Déphasage ϕ:imposé par la charge

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Fonctionnement Diagramme de Behn-Eschenburg

Diagramme de Behn-Eschenburg

ϕest imposé par la charge Diagramme de Fresnel E =jXs ·J+V

J Xs J E

V

ϕ ψ (a)

Alternateur sur-excité (E >V) Installation inductive ou résistive

J

Xs J E

V ϕ ψ (b)

Alternateur sous-excité (E <V) Installation capacitive : RARE

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Fonctionnement Bilan des puissances dans l’alternateur synchrone

Bilan des puissances converties

Puissance mécanique absorbéePa

Puissance électromagnétiquePem Pertes mécaniques

rotationnellesProt

Pertes fer Pf

Pertes Joule au stator PJS

Puissance électrique utilePu

Penser à rajouter P_JR =ui pour l’excitation du rotor ^a

ahors schéma car ne provenant pas de la conversion de puissance mécanique

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Fonctionnement Bilan des puissances dans l’alternateur synchrone

En résumé

Dispositif de conversion mécano-électrique Puissance absorbée : mécanique

Puissance utile : électrique

Réversibilité : oui, moteur synchrone

2 circuits : inducteur (rotor) et induit (stator) Induit:productionde la puissance électrique inducteur: circuit deréglagede la tension produite Réactance synchrone :

caractéristique de l’alternateur (qualité/pertes)

2 mesures pour une excitation donnéei: à vide et en CC En charge :

Chute de tension quand le courant augmente

Chute d’autant plus importante que le circuit est inductif Capacités : préviennent la chute de tension