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La machine synchrone

Il existe deux mode de fonctionnement pour la machines synchrone : moteur et générateur.

1. Le générateur synchrone ou alternateur

1.1. Fonctionnement

A partir d’une énergie mécanique, l’alternateur crée une énergie électrique. Le rotor est constitué d’un circuit magnétique qui fourni un champ magnétique constant. Ce rotor tourne à l’intérieur d’un stator composé de 3 bobines. Lorsque le champ magnétique fixe passe devant une bobine, il induit des courants à l’intérieur de celle-ci. Pour chaque bobine, ce courants induit crée une différence de potentiel qui est une des tensions délivrées par l’alternateur.

1.2. Rappel des loi d’électrotechniques

La vitesse de rotation ou vitesse du champ tournant :

W = Ws = 2pf/p

avec W : fréquence de rotation (rad/s).

f : fréquence des courants (hertz).

p : nombres de paires de pôles.

n = ns = (60.f) / p

avec n : vitesse de synchronisme (tr/min).

L’alternateur absorbe une puissance mécanique (Pa) qu’il transforme en puissance électrique : la puissance utile (Pu), mais une partie de la puissance mécanique est perdue en cours de transformation, ceci est du à la constitution de l’alternateur.

Le bilan des puissances de l’alternateur est le suivant :

Rotor stator

Pa Pu

Pertes : p_méca p_jr p_js p_fs

Pa : puissance mécanique absorbée par le moteur

p_méca : puissance mécanique perdue : pertes dues aux frottements mécaniques engendrés par la rotation du rotor

p_jr : pertes par effet joule dans les enroulements du rotor

p_js : pertes joules stator : pertes dans les enroulements du stator (formule identique à celle de la MAS)

p_fs : pertes fer stator : dues aux pertes dans les tôles magnétiques du stator.

Pu : puissance utile : c’est la puissance électrique délivrée

Rendement

h= Pu / Pa

h= (Pa – Pertes) / Pa

1.3. Constitution

1.3.1.Le rotor

Il existe différents types de rotor ou roue polaire

· Le rotor a aimant permanent

Comme sont nom l’indique le rotor est constitué en partie d’un aimant naturel.

Il n’est donc pas nécessaire de posséder une autre source d’énergie électrique pour créer un champ constant dans le rotor au contraire du rotor bobiné.

· Les rotor bobinés

Comme le nom l’indique le rotor est constitué d’un ou de noyau(s) magnétique(s) composé(s) de tôles et d’une ou plusieurs bobine(s) enroulée(s) autour de ce(s) noyau(x). Ces bobines correctement associées en série permettent d’obtenir des pôles nord et sud. Dans les rotor bobinés deux catégories sont à distinguer :

Rotor a pôles saillants Rotor à pôles lisses

Rotor à pôles saillants : ce types de construction n’autorise pas de grandes vitesses de rotation. Forte puissance mais faible vitesse n<1500 tr/min. Production d’énergie de 60 à 400 Hz dans les centrales hydrauliques, groupes électrogènes.

Rotor à pôles lisses : ce mode de construction qui assure une grande robustesse mécanique est systématiquement adopté pour les alternateurs de fortes puissances dont la fréquence de rotation est élevée (3000 et 1500 tr/min). Production d’énergie dans les centrales nucléaires.

1.3.2. Le stator

Le stator d’une machine synchrone est identiques a celui d’une machine asynchrone, il est constitué d’un empilage de tôles magnétiques qui contiennent des encoches dans lesquelles sont insérées les bobines.

1.4. L’aimantation du rotor :

Pour qu’un champ soit crée dans le stator, il faut que le rotor soit le siège d’un champ magnétique (il faut que le rotor soit aimanté) :

· Pour le rotor à aimants permanents, l’aimantation est naturelle (matériaux diamagnétiques qui composent la roue polaire).

· Pour les rotors bobinés, il existe 2 façons d’aimanter le rotor :

o Soit on alimente, par l’intermédiaire de balais, les bobinages du rotor avec du courant continu.

o Soit une bobine sur le stator, alimentée en courant continu, crée un système triphasé dans 3 enroulements du rotor dédiés à l’aimantation. Ce système triphasé est redressé par un pont de diode pour donner un courant continu qui va alimenter le rotor et l’aimanter. Ce pont de diodes, qui est embarqué sur le rotor, est appelé pont tournant (il tourne avec le rotor).

Schéma interne

o Le réglage du courant qui traverse les enroulements de la roue polaire (Ie) permet de faire varier la tension de sortie de l’alternateur.

o Le réglage de la vitesse W (en rad/s) de l’arbre du moteur permet de faire varier la fréquence (f en Hz) du système triphasé que délivre l’alternateur :

W= Ws = ( 2 P . f ) / p

W et Ws en rad/s

f en Hz

p : nombre de paires de pôles

2. Le moteur synchrone

Ø Souvent utilisé pour économiser de l’argent sur la facture EDF, le relèvement du cosinus j peut être fait avec des condensateurs (qui produisent de l’énergie réactive) mais aussi avec une machine synchrone qui sera utilisée en moteur, elle sera appelée compensateur synchrone.

Ø Le moteur synchrone peut aussi être utilisé pour entraîner de fortes charges, son avantage sur le moteur asynchrone étant sa vitesse qui est constante. Exemple : le TGV Atlantique utilise le moteur synchrone pour se propulser ; le fonctionnement du moteur sera alors de type inductif.

Le fonctionnement du moteur synchrone :

Le stator est alimenté en triphasé, créant un champ tournant. Les bobinages du rotor sont eux alimentés en courant continu, le rotor est donc aimanté. Le rotor tourne à la même vitesse que celle du champ tournant, c’est à dire que W=Ws.

Le réglage de la valeur du courant qui alimente le rotor permet de faire varier la puissance réactive du moteur :

Ø Si la puissance réactive est absorbée par le moteur (Q<0), son fonctionnement est inductif (exemple du TGV, le moteur sert à entraîner une charge).

Ø Si la puissance réactive est produite par le moteur (Q>0), son fonctionnement est capacitif, c’est un compensateur synchrone (exemple du relèvement du cosinus j).