Chapitre 5 : machine synchrone 1. Introduction

1 Chapitre 5 : machine synchrone 1. Introduction Historiquement, l'actionneur lectrique doit sa cr ation aux diff rentes tapes tant technologiques que de d couvertes scientifiques. Les principaux faits de son volution sont: en 1820, d couverte par Oersted de l'effet magn tique d'un courant lectrique;. en 1831, d couverte de l'induction magn tique par Faraday qui compl te ainsi les fondements de l' lectromagn tisme;. en 1864, James Clerk Maxwell (physicien et math maticien anglais) tablit les bases th oriques de l' lectromagn tisme;. en 1890, les principales formes de machines lectriques sont d velopp es jusqu'en 1950 par apport de mat riaux plus actifs, de syst me de refroidissement et d'am lioration du comportement dynamique gr ce des machines amplificatrices tr s complexes telles que l'amplidyne, la m tadyne, le rototrol, etc. en 1948, d couverte du transistor et en 1958 d couverte du thyristor qui va permettre une limination radicale de ces machines sp ciales avantageusement remplac es par des technologies entrevues ces derni res ann es.

2 Depuis, les innovations ont t s r alis es plus sur l'int gration du syst me que sur son principe. Un actionneur lectrique est habituellement constitu de 3 parties distinctes: un ou plusieurs convertisseurs dont la t che est d'alimenter la machine lectrique en nergie sous la forme, l'amplitude, la fr quence et la phase voulue. la machine lectrique proprement dite ainsi que sa charge. 1. Chapitre 5 : machine synchrone le circuit de commande devant fournir aux convertisseurs les signaux de commande assurant le fonctionnement demand . 2. Constitution des machines synchrones Une machine synchrone , associ e une lectronique adapt e, peut s'adapter une large gamme d'applications et notamment remplacer la machine courant continu ayant un certain nombre d'inconv nients en embarqu (comme des tincelles intempestives par exemple). Selon le Vocabulaire Electrotechnique International, ``une machine synchrone est une machine courant alternatif dans laquelle la fr quence de la tension induite engendr e et la vitesse sont dans un rapport constant''.

3 Les machines synchrones se repr sentent par des symboles normalis s affect s de lettres GS ou MS suivant qu'elles fonctionnent respectivement en alternateur ou en moteur (fig. ). Figure : Symboles d'une machine synchrone triphas e. Un machine tournante est constitu e de deux parties essentielles, le stator (partie fixe: carcasse fix e) et le rotor qui est la partie mobile tournant l'int rieur du stator. L'espace s parant ces deux l ments est appel entrefer. Il est g n ralement de l'ordre du millim tre. 2. Chapitre 5 : machine synchrone stator Le stator du moteur appel ``induit'' est constitu , dans sa carcasse, de bobinages fixes autour du rotor qui est appel ``inducteur''. Il se compose d'un noyau feuillet ayant la forme d'un cylindre vide et comportant des encoches dans lesquelles sont log s les conducteurs de l'enroulement g n ralement triphas . L'enroulement est toujours raccord en toile et le neutre est accessible pour permettre sa mise la terre.

4 En effet, on pr f re la connexion en toile pour les raisons suivantes: 1. La tension par phase tant seulement , ou 58 % de celle entre les lignes, on peut . r duire l' paisseur de l'isolant dans les encoches. Cela permet de grossir la section des conducteurs et, par cons quent, la puissance de la machine . 2. Lorsque le moteur est en charge, la tension induite par phase se d forme de sorte que la forme d'onde n'est plus tout fait sinuso dale. Cette distorsion est due principalement la pr sence de tensions d'harmonique qui se superposent au fondamental. Avec une connexion en toile, les troisi mes harmoniques n'apparaissent pas entre les fils de ligne car elles s'annulent. Par contre, si l'on utilise une connexion en triangle, ces tensions s'additionnent et provoquent la circulation d'un courant dans le triangle et, par cons quent, occasionnent des pertes Joules suppl mentaires. En 1883, l' ge de 27 ans, le Yougoslave, Nikola Tesla inventait le moteur d'induction triphas.

5 Son premier mod le est semblable au stator p les saillants de la figure Lorsque le stator est excit par une source triphas e, un champ tournant multipolaire est cr . 3. Chapitre 5 : machine synchrone Figure : Stator l mentaire en toile. Les bornes A, B et C sont raccord es une source triphas e. Depuis, ce premier prototype lectrique a beaucoup volu ; les stators modernes sont constitu s d'une carcasse lisse dans laquelle sont ins r es des bobines (dans des encoches pr vues cet effet). Un ensemble de bobines mont ainsi constitue un groupe. Un groupe est l' quivalent d'un p le saillant pour la technologie pr c dente. La plupart des moteurs triphas s utilisent des enroulements imbriqu s. Un enroulement imbriqu est compos de groupes de bobines distribu es uniform ment la p riph rie du stator comme indiqu sur la figure Figure : Stator bipolaire montrant la disposition des groupes des trois phases. 4. Chapitre 5 : machine synchrone L'exemple de la figure montre un stator trois phases et deux groupes.

6 Le nombre de groupe est donn par l' quation: Nombre de groupes= nombre de p les par phase du champ tournant nombre de phases Il est galement n cessaire qu'un groupe comprenne au moins une bobine. Cependant, les concepteurs de machines ont d couvert qu'il est pr f rable d'employer plusieurs bobines par groupe plut t qu'une seule. La figure repr sente un groupe constitu de cinq encoches soit cinq bobines. Les bobines sont identiques et peuvent contenir une ou plusieurs spires. La largeur d'une bobine est nomm e `` pas '' de la bobine. Un enroulement distribu de cette mani re dans plusieurs encoches co te plus cher que si l'on utilisait une seule bobine par groupe mais cela am liore le couple lors du d marrage tout en r duisant le bruit lorsque le moteur atteint sa vitesse en r gime permanent. Figure : Cinq bobines raccord es en s rie forment un groupe qui correspond un p le d'une phase. La distance entre deux p les adjacents est dit "pas polaire''.

7 5. Chapitre 5 : machine synchrone Un pas polaire est gal la circonf rence int rieure du stator divis par le nombre de p les.. =.. En pratique, le pas polaire est exprim en nombre d'encoches. '. =.. Le pas de la bobine est habituellement compris entre 80 % et 100 % du pas polaire. L'utilisation d'un pas raccourci (inf rieur 100 %) permet d'am liorer la distribution du flux tournant et de diminuer la quantit de cuivre requise. rotor Le rotor se compose d'un cylindre de t les poin onn es leurs p riph ries ext rieures pour former les encoches destin es recevoir des conducteurs. Il est s par du stator par un entrefer de faible dimension. Le rotor bobin comprend des bobinages plac dans les encoches. L'extr mit de chaque enroulement est reli e une bague tournant avec l'arbre. Ces bagues permettent, par l'interm diaire de balais, d'alimenter les enroulements par un courant continu appel ``courant d'excitation''.

8 Dans les moteurs sans balai (brushless), les enroulements sont remplac s par des aimants permanents qui permettent, entre autres, de ne pas avoir les pertes dues aux frottements des balais et de n'avoir pas mettre en oeuvre une alimentation ext rieure. En effet, les aimants permanents d'aujourd'hui produisent des forces magn tomotrices (FMM). tr s intenses. De sorte que, FMM gales, ils sont souvent plus petits que les lectro-aimants qu'ils remplacent. Comme ils n'ont besoin d'aucune source d' nergie ext rieure pour maintenir 6. Chapitre 5 : machine synchrone leur magn tisme, les aimants permanents permettent de construire des appareils poss dant un grand rendement de dimensions restreintes. 3. Fonctionnement d'une machine synchrone Il est noter que le rotor comporte autant de p les que le stator. Le nombre de p les (2p) et la fr quence (f) du r seau d'alimentation permet de d terminer la vitesse m canique (n), en bout d'arbre, du moteur par la relation suivante : = 60.

9 ! Comme la relation liant la vitesse angulaire m canique et la vitesse N est = , alors: ". #! $%. = =. Les machines synchrones sont r versibles, c'est dire qu'elles peuvent fonctionner aussi bien en moteur qu'en alternateur (notamment dans les phases de freinage). Cependant, selon leur utilisation, leur construction diff re pour en optimiser le fonctionnement. 4. Fonctionnement Alternateur ation de forces lectromotrices triphas es Si l'on place une bobine de N spires dans un flux variable, elle est le si ge d'une force lectromotrice. ,- &'() = +. ,(. Si le bobinage du stator est triphas , on obtient trois forces lectromotrices induites d phas es l'une par rapport l'autre d'un angle 2 /3, si le flux magn tique est sinuso dal, la force lectromotrice l'est aussi. 7. Chapitre 5 : machine synchrone #! #! & '() = 2/ 012'3 () ;&# '() = 2/ 012 43 ( 5 ;& '() = 2/ 012 43 ( + 5. Elles ont comme valeur efficace : / = 78 +9- Avec : - Kb : facteur de bobinage, - N : nombre des conducteurs par phase, - f : fr quence en Hz, - : flux utile par pole.)))

10 Vide 1. On alimente le rotor, en continu, pour cr er l' lectroaimant 2. On couple le stator en toile 3. le rotor est entra n la fr quence de rotation constante n. Iex Uex GS. V0. 8. Chapitre 5 : machine synchrone en charge 1. On maintient constant Iex et la vitesse de rotation n. 2. On rel ve les variations de la tension simple V en fonction du courant en ligne I pour Une charge r sistive. le quivalent d'une phase (de Behn-Eschenburg). Le flux total travers l'enroulement 1 est la somme: - du flux vide + ;" = <=> 012'3()?@A avec <=> est l'inductance mutuelle stator rotor. - Du flux cr par les courants statoriques : + B = C= D + <= D# + <= D = C= D + <= 'D# + D ). Or que D + D# + D = 0 D# + D = D. D'o : + B = 'C= <= )D. <= est l'inductance mutuelle stator - stator 9. Chapitre 5 : machine synchrone = C= <= est l'inductance cyclique, on note G= = 3 la r actance synchrone . Le flux r sultant dans l'enroulement 1 est + = D + +.