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    sur 6

    Génie électrique et Electrotechnique et

    systèmes industrielles(S3) Machines Electriques (M31)

    Chapitre 7: Machine Synchrone

    I. Genéralité
    La machine synchrone est une machine à champ magnétique tournant. Le terme synchrone signifie que la vitesse
    de rotation de l’arbre de sortie est égale à la vitesse de rotation du champ tournant.

    La machine synchrone est réversible, elle peut fonctionner soit en génératrice, soit en moteur. Lors de son fonctionnement
    en génératrice, il y a transformation d’énergie mécanique en énergie électrique (courant alternatif), elle prend alors le
    nom d’alternateur. En fonctionnement moteur sa fréquence de rotation est imposée par la fréquence du courant
    alternatif qui alimente l'induit.

    II. Constitution
    La machine synchrone est constituée de deux parties séparées par un entrefer :
     L'inducteur : la partie tournante de la machine c’est-à-dire le rotor.
     L'induit : la partie fixe de la machine c’est-à-dire le stator.

    1. L’inducteur
    C’est la partie tournante. Il a pour rôle de créer un champ magnétique tournant à l’aide d’un rotor magnétisant mis
    enrotation. Parfois c’est un aimant permanent pour les petites machines, mais en général c’est un électroaimant sous
    forme d’un cylindre ferromagnétique massif recevant un bobinage qui, alimenté en courant continu (excitation),
    génère p paires de pôles sud et nord alternés.
    Il existe des rotors à pôles saillants avec un nombre de paires de pôles p élevé, ou à pôles lisses :
    Rotor à pôles lisses Rotor à pôles saillants

    Professeur :A.ELFANIDI 1/6


    Très robuste, il permet d’obtenir des fréquences de
    Tournant moins vite, et de ce fait fournissant moins de
    rotation élevées (> 3000 tr/min).
    puissance, il est utilisé dans les centrales hydrauliques et les
    Il est utilisé dans les centrales thermiques et les centrales
    groupes électrogènes.
    nucléaires.
    2. L’induit
    C’est la partie fixe, sous forme d’une carcasse
    ferromagnétique feuilletée, constitué de trois
    groupes de conducteurs logés dans des encoches
    formant trois circuits (un pour chaque phase)
    décalés les uns des autres d’un angle convenable
    (120°) ,et fournissant de ce fait des courants
    triphasés.

    3. Champ tournat
    Les courants alternatifs dans le stator créent un champ magnétique tournant à la pulsation :

    𝛀𝐒 : vitesse de rotation du champ tournant en rad/s.

    𝜔 : Pulsation des courants alternatifs en rad/s.

    𝐧𝐒 : vitesse de rotation du champ tournant en tr/s.

    𝐟 : Fréquence des courants alternatifs en Hz.

    𝐩 : Nombre de paires de pôles.

    4. Synchronisme
    Le champ tournant du stator accroche le champ inducteur solidaire du rotor. Le rotor ne peut donc tourner
    qu’à la vitesse de synchronisme 𝛀𝐒.
    La machine synchrone est réversible :
     Fonctionnement en moteur : Le champ tournant du stator « accroche » le champ lié au rotor à la
    𝝎
    vitesse 𝜴𝒔 = 𝒑
     Fonctionnement en alternateur (génératrice) : Le rotor et son champ sont entraînés par une turbine.
    Les bobines de l’induit sont alors le siège de f.é.m. alternative de pulsation 𝜔 = 𝐩. 𝛀𝐒 .

    Rappel : toute variation de champs magnétique à travers une bobine crée aux bornes de la bobine une f.é.m
    induite.

    III. L’alternateur triphasé


    1. Principe de l’alternateur
    Une génératrice synchrone transforme de l'énergie mécanique (C, Ω) en énergie électrique (V, I de fréquence f).

    Lorsque le rotor(aimant naturel ou artificiel)tourne,chaque bobine est soumise à un flux magnetique variable 𝛷(𝑡) et il se
    𝒅𝜱(𝒕)
    crée alors une f.e.m induite 𝒆(𝒕) = −𝑵 aux bornes de chaque enroulement du stator.
    𝒅𝒕

    Professeur :A.ELFANIDI 2/6


    On montre que la tension e(t) a pour valeur efficace :

    𝐄 = 𝐊. 𝐍. 𝐟. 𝚽𝐦𝐚𝐱

    Comme f = p.ns alors 𝐄 = 𝐊. 𝐍. 𝐩. 𝒏𝒔. 𝚽𝐦𝐚𝐱

    Avec :

     K : coefficient de Kapp qui ne dépend que des caractéristiques technologiques de l’alternateur.


     N : nombre de conducteurs actifs par enroulement
     𝚽𝐦𝐚𝐱 : flux utile maximal sous un pôle en Weber (Wb).
     f : Fréquence des f.é.m. induites (Hz).
     p : Nombre de paires de pôles.
     ns : Fréquence de rotation du rotor (tr/s).

    2. Couplage des alternateurs triphasées


    La f.é.m. induite définie précédemment est générée par chacun des enroulements. La formule précédente
    donne donc la valeur efficace d'une tension simple si les enroulements sont couplés en étoile, et la valeur
    d'une tension composée s'ils sont couplés en triangle.

    3. Excitation des alternateurs


     Lorsque l’alternateur est à aimants permanents, il n’a pas besoin d’être excité.
     Lorsque l’inducteur est constitué d’électro-aimants, ils doivent être traversés par des courants
    continus fourni par :
     Une source extérieure reliée au rotor par un système de bagues et de balais.
     L’induit lui-même : une partie des courants triphasés fournis par l’induit sont redressés à
    l’aide d’un pont dediodes afin de pouvoir alimenter directement l’inducteur : l’alternateur
    est alors dit auto-excité.

    4. Fonctionnement en charge

    a. Modèle equivalent d’une phase de l’alternateur

    Pour étudier l'alternateur triphasé, on modélise une phase de


    l'alternateur par une f.é.m E en série avec une résistance R et une
    réactance synchrone Xs = Lω.

    Professeur :A.ELFANIDI 3/6


    b. Diagramme vectoriel de Behn-Eschenburg

    RI : Chute ohmique au niveau de chaque enroulement induit

    XSI : Chute inductive due à la réactance XS de l’alternateur


    𝛗: est le déphasage entre le courant 𝐈 et la tension 𝐕.
    θ : est le décalage interne entre 𝐕 et 𝐄.

    Remarque : Si R est négligeable, la représentation se simplifie.

    c. Determination des elements du modèle equivalent


     Détermination de la résistance R d’un enroulement :
    La résistance R d’un enroulement se détermine par la mesure (la méthode voltampère-métrique en courant
    continu). Il faut cependant tenir compte du couplage des enroulements de l’induit :
    𝑅𝑚𝑒𝑠
     Pour un couplage etoile 𝑅 = avec 𝑅𝑚𝑒𝑠 est la résistance mesurée.
    2
    3
     Pour un couplage triangle : 𝑅 = 2 𝑅𝑚𝑒𝑠

     Détermination de la réactance synchrone Xs :


    On peut facilement déterminer les éléments du modèle électrique équivalent, à l'aide de deux essais :

     Essai à vide 𝐄 = (𝐈𝐞),

     essai en court-circuit 𝐈𝐜𝐜 = (𝐈𝐞)

    5. Bilan des puissances


    L’alternateur converti la puissance mécanique en puissance électrique.

    a. Puissance absorbée
    Une turbine (par exemple), entraîne l’arbre de l’alternateur avec un couple CM. La puissance mécanique
    absorbée :
    𝐏𝐌 = 𝐂𝐌. 𝛀𝐒

    Professeur :A.ELFANIDI 4/6


     Alternateur à excitation indépendante : 𝐏𝐚 = 𝐏𝐌 + 𝐔𝐞. 𝐈𝐞 avec : 𝐔𝐞. 𝐈𝐞 est la puissance
    reçue par l’inducteur (excitation).
     Alternateur auto-excité ou à excitation à aimants permanents : 𝐏𝐚 = 𝐏𝐌

    b. Puissance utile
    La charge reliée à l’alternateur absorbe un courant de valeur efficace I et présente un facteur de puissance
    cos φ :
    𝐏𝐮 = √3𝐔𝐈 𝐜𝐨𝐬 𝜑

    c. Les différentes pertes de l’alternateur


     Pertes par effet joule dans l’inducteur : 𝐩𝐣𝐞 = 𝐔𝐞. 𝐈𝐞
     Pertes par effet joule dans l’induit : 𝐩𝐣i = 𝟑. 𝐑. 𝑰 𝟐 (j si le couplage est triangle) Où R est la
    résistance d’un enroulement de l’induit de l’alternateur.
     Pertes collectives : Pertes mécaniques et pertes fer (ne dépendent pas de la charge).

    d. Rendement

    IV. Moteur synchrone


    1. Principe de fonctionnement
    Le moteur synchrone converti la puissance électrique en puissance mécanique. Le stator de la machine est alimenté en
    triphasé ; il se crée alors un champ magnétique tournant à la fréquence de rotation ns.
    a. Avantage
    Le moteur synchrone est plus facile à réaliser et plus robuste que le moteur à courant continu. On peut
    régler son facteur de puissance cos(φ) en modifiant le courant d’excitation Ie.

    b. Inconvenients
     Un moteur auxiliaire de démarrage est souvent nécessaire,
     Il faut une excitation, c’est-à-dire une deuxième source d’énergie,
     Si le couple résistant dépasse une certaine limite, le moteur décroche et s’arrête.
    c. Utilsitaion
     Les moteurs synchrones sont utilisés en forte puissance de 1 à 10 MW (exemple : TGV,
    compresseur de pompe…); toutefois pour varier la vitesse, il faut faire varier la fréquence des
    courants statoriques. Il a donc fallu attendre le développement de l’électronique de puissance pour
    les commander.
     Dans le domaine des faibles puissances, les moteurs synchrones sont à aimants permanent.
    L’intérêt de ces moteurs réside dans la régularité de la vitesse de rotation (exemple : tourne disque,
    appareil enregistreur, programmeur, servomoteur).
     Le moteur synchrone peut également être utilisé comme source de puissance réactive Q pour
    relever le facteur de puissance cos(φ) d’une installation électrique.

    Professeur :A.ELFANIDI 5/6


    2. Modèle d’une phase de l’induit d’un moteur synchrone

    Loi des mailles  𝐕 = 𝐄 + 𝐑𝐈 + 𝐣𝐗𝐒I

    3. Bilan de puissance
    Le courant est en convention récepteur, il faut donc inverser le bilan des puissances de l’alternateur :

    𝐏𝐚 = √3𝐔𝐈 𝐜𝐨𝐬 𝜑 + 𝐔𝐞. 𝐈𝐞 et 𝐏𝐮 = 𝐂𝐮. 𝛀𝐒

    Professeur :A.ELFANIDI 6/6

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