Transcription of Cours de Physique appliquée La machine synchrone triphasée
1 1 Cours de Physique appliqu e La machine synchrone triphas e Terminale STI G nie Electrotechnique Fabrice Sinc re ; version 2 Sommaire 1- Constitution 1-1- Rotor 1-2- Stator 2- Types de fonctionnement 2-1- Fonctionnement en moteur 2-2- Fonctionnement en g n ratrice : alternateur 3- Relation entre vitesse de rotation et fr quence des tensions 4- Etude de l'alternateur 4-1- Fonctionnement vide 4-2- Fonctionnement en charge 4-3- D termination exp rimentale des l ments du mod le quivalent 5- Bilan de puissance de l'alternateur 6- Alternateur monophas 7- Le moteur synchrone triphas 3 1- Constitution 1-1- Rotor Au rotor, nous avons l'inducteur (ou excitation).
2 C'est un aimant ou un lectroaimant aliment en courant continu par l'interm diaire de balais. L'inducteur cr e un champ tournant. 4 Deux grandes cat gories de machines synchrones : - Machines p les saillants (roue polaire) - Machines p les lisses Le rotor est caract ris par son nombre de paires de p les p : p = 1 (2 p les) : fig. 1a 1c p = 2 (4 p les) : fig. 1b NSFig. 1aNSNSFig. 1bNSFig. 1c5 1-2- Stator Au stator, nous avons l'induit (circuit de puissance). Ce sont trois enroulements d cal s de 120 , par exemple coupl s en toile : Fig. 2123N6 2- Types de fonctionnement 2-1- Fonctionnement en moteur Le moteur aliment en triphas tourne : Ex.
3 Moteurs synchrones des TGV. MSieinducteurinduitsource detensionstriphas esi1(t)i2(t)i3(t)Fig. 3 7 2-2- Fonctionnement en g n ratrice : alternateur La g n ratrice synchrone est plus connue sous le nom d'alternateur. Un syst me m canique entra ne le rotor. Il y a cr ation d'un syst me de tensions triphas es dans les enroulements du stator. GSieinducteurinduitr cepteurtriphas i1(t)i2(t)i3(t)Fig. 4 8 3- Relation entre vitesse de rotation et fr quence des tensions et courants avec : f : fr quence (en Hz) n : vitesse de rotation (en tr/s) p : nombre de paires de p les f = pn 9 Pour avoir f = 50 Hz : Tableau 1 p n (tr/s) n (tr/min) (rad/s) 1 50 3000 314 2 25 1500 157 3 16,7 1000 105 4 12,5 750 79 25 2 120 12,6 50 1 60 6,3 10 Remarques La production de l' nergie lectrique se fait avec des alternateurs de grandes puissances (jusqu 1450 MW) : - turboalternateurs de centrales thermiques ( p les lisses : p = 2 ou 1) - hydroalternateurs de barrages hydrauliques ( p les saillants : p >> 1) Ex.
4 Pour avoir f = 50 Hz : - turboalternateur (p = 2) 1500 tr/min - hydroalternateur (p = 40) 75 tr/min 11 4- Etude de l'alternateur 4-1- Fonctionnement vide A vide, les tensions g n r es correspondent aux fem induites dans les bobinages du stator par le champ tournant du rotor : vi(t) = ei(t) GSieinducteuri1(t)=0i2(t)=0i3(t)=0neutre (0 V )v1(t)v3(t)v2(t)Fig. 5 12 Valeur efficace des fem induites E = K N f E : fem en volts (aux bornes d un enroulement statorique) : flux produit par un p le de l inducteur (en Wb) N : nombre de conducteurs d un enroulement statorique K : coefficient de Kapp (environ 2,22) Quand le circuit magn tique n est pas satur , est proportionnel au courant inducteur ie.
5 13 4-2- Fonctionnement en charge Mod le lectrique quivalent Hypoth se : circuit magn tique non satur . Au stator, le r gime est sinuso dal. On utilise la notation complexe ou les vecteurs de Fresnel. Pour la phase i : RSjXSV iI iE iFig. 614 E : fem induite (ou fem synchrone ) I : courant de ligne V : tension simple RS : r sistance d'un enroulement statorique (couplage Y) XS = LS : r actance synchrone d'un enroulement statorique Remarques XS est proportionnelle la vitesse de rotation. En pratique, on peut n gliger RS devant XS. RSjXSV iI iE iFig. 615 Repr sentation vectorielle : diagramme synchrone )'IXIR(EVSS Chute de tension en charge : V = E - V +I 'IXS IRS EV Fig.
6 716 4-3- D termination exp rimentale des l ments du mod le quivalent RS se mesure avec la m thode voltamp rem trique en courant continu Essai vide GSieinducteuri1(t)=0i2(t)=0i3(t)=0neutre (0 V )v1(t)v3(t)v2(t)Fig. 5 n =1500 tr/min0ie (A )EPN (V )2401 Fig. 817 GSieinducteurICCFig. 9 : alternateur 3~essai en court-circuitCCPNSIEX Essai en court-circuit Pour n = 1500 tr/min et ie = 0,5 A, calculer la r actance synchrone XS. ie = 0,5 A EPN = 120 V et ICC = 1,5 A XS = 120 / 1,5 = 80 n =1500 tr/min0ie (A )ICC (A )31 Fig. 1018 5- Bilan de puissance de l'alternateur Puissance absorb e = puissance m canique re ue + puissance lectrique consomm e par l'inducteur Puissance utile = puissance lectrique fournie la charge triphas e P uissanceabsorb eP uissanceut ilepert escollect ivespert esJoule l'induct eurpert esJoule l'induitFig.
7 11P uissancem caniquere ue19 pertescosUI3cosUI3 PPau Pertes Joule - dans l'induit : 3 RSI (couplage Y) - dans l'inducteur : r ie (r : r sistance de l'inducteur) Rendement turboalternateur : PN = 1300 MW N = 95 % 5 % de pertes 65 MW transform s en chaleur ! 20 6- Alternateur 1~ 21 7- Moteur synchrone triphas La machine synchrone est r versible. Mod le quivalent (en n gligeant RS) jXSV iI iE iFig. 12 : moteur synchrone 3~mod le quivalent pour une phase'IXEVS 22 Bilan de puissance du moteur synchrone triphas induct eur Joule pert escosIU3m canique) (puissance TPPuau P uissanceabsorb eP uissanceut ilepert escollect ivespert esJoule l'induct eurpert esJoule l'induitFig.
8 13P uissance lect rique re uepar l'induit
