Machines Synchrones 2017

FONCTIONNEMENT DES MACHINES SYNCHRONES
1. Introduction :
Les alternateurs triphasés sont quasiment la source de toute l’énergie électrique que nous consommons ;
l’alternateur nécessite une alimentation en courant continu de son inducteur (en général le rotor).
Le terme de machine synchrone regroupe toutes les machines dont la vitesse de rotation de l’arbre de sortie
est égale à la vitesse de rotation du champ tournant. Pour obtenir un tel fonctionnement, le champ
magnétique rotorique est généré soit par des aimants, soit par un circuit d’excitation. La position du champ
magnétique rotorique est alors fixe par rapport au rotor, ce qui impose en fonctionnement normal une vitesse
de rotation identique entre le rotor et le champ tournant statorique.
Cette famille de machine regroupe en fait plusieurs sous familles, qui vont de l’alternateur de plusieurs
centaines de mégawatts au moteur de quelques watts, en passant par les moteurs pas à pas. Néanmoins, la
structure de toutes ces machines est relativement proche. Le stator est généralement constitué de trois
enroulements triphasés répartis, tel que les forces électromotrices générées par la rotation du champ
rotorique soient sinusoïdales. Les stators, notamment en forte puissance, sont identiques à ceux d’une
machine asynchrone.
2. Symboles
1 23 1 23
 
MS MS MS MS
  3 3
UUUUU UUUUU
monophasé triphasé
Figure 1: symbole de la machine synchrone
3. Principe de fonctionnement :
Les machines électriques tournantes sont constituées d’un stator et d’un rotor. En régime établi, ces
enroulements sont parcourus par des courants triphasé équilibrés, ces courants produisent dans l’entrefer de la machine
un champ tournant à la vitesse angulaire s. Le rotor de la machine est doté d’un enroulement d’excitation ; en régime
établi cet enroulement est parcouru par un courant continu. Ce dernier produit dans l’entrefer un champ magnétique fixe
par rapport au rotor. En fonctionnement moteur, le rotor de la machine s’accroche (grâce au champ rotorique fixe) avec
le champ tournant créé par le bobinage statorique et tourne à la même vitesse s que celui-ci.
4. Expression de la vitesse de rotation
S =60.f/P
où S est la vitesse d’entrainement de l’alternateur en (tr/min) et p le nombre de paires de pôles, f est la
fréquence des courant statoriques en Hz.
5. Expression de la f.e.m induite aux bornes d’un enroulement (tension simple)
E= 2.22 .Kd.Kf.N.f.max
Ou
E= K.N.f.max
Avec :
K=2.22 .Kd.Kf : coefficient de Kapp
E : f.e.m aux bornes d’un enroulement en volt (V)
Kd : Coefficient de distribution (Kd  1)
Kf : Facteur de forme (Kf1)
max : Flux sous un pôle ou flux max en Webber (Wb)
N : nombre de conducteurs de l’enroulement.
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6. Mise en équation / Diagramme de Behn-Eschenbourg.
Afin d’étudier les différents fonctionnements possibles d’une machine synchrone en régime sinusoïdal, nous
allons retenir le schéma équivalent par phase le plus simple possible, en négligeant les phénomènes de
saturation :
Z I
Ev V
Nous noterons :
- Zd : Impédance d’axe direct de la machine , √
- Xd : Réactance d’axe direct de la machine
- R : résistance par phase du bobinage statorique
- e(t) : la f.e.m. créée par le champ magnétique rotorique dans une phase de la machine :
- Ev : la valeur efficace de e(t)

- I : la valeur efficace du courant dans une phase statorique
-  : le déphase entre V et I
En considérant le schéma équivalant par phase de l’alternateur, on pourra écrire :
V = Ev – RI - jXdI  Ev - jXdI car (XdR)
Il est alors possible de tracer le diagramme de Fresnel correspondant à l’équation des tensions d’une phase de la
machine en fonctionnement alternateur:
 Pour une charge inductive
Un tel diagramme porte le nom de diagramme de Behn-Eschenbourg.
La réactance d’axe direct de la machine Xd est toujours très grande devant la résistance du bobinage statorique,
on pourra donc négliger R devant Xd, on obtient ainsi le diagramme suivant, pour une même charge inductive.
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7. Caractéristique Externe U=f(I)
9. Utilisation d’une machine synchrone en turbo-alternateur

La quasi-totalité de l’électricité produite est issue d’alternateur de type synchrone. Ces alternateurs de très forte
puissance (Plusieurs GVA) diffèrent des machines synchrones classiques essentiellement :
- par leur géométrie : l’augmentation de la puissance des alternateurs entraîne nécessairement une
augmentation de leur taille. Afin de réduire les problèmes liés à l’accélération normale à la périphérie du rotor,
les fabricants limitent le rayon des machines, ce qui entraîne une augmentation de la longueur.
- par leur système d’excitation
- par leur refroidissement
10. Excitation des alternateurs de forte puissance

Les puissances d’excitation des alternateurs de forte puissance sont telles (plusieurs mégawatts) qu’il est
intéressant d’utiliser la puissance mécanique disponible sur l’arbre pour fournir le courant d’excitation. On
utilise alors un système d’excitation monté sur le même arbre que le rotor de l’alternateur. De plus, il est alors
possible de supprimer les contacts glissants nécessaires à l’alimentation de l’excitation :
L’excitatrice est en fait un alternateur inversé où le circuit d’excitation est placé sur le stator. Le rotor comporte
un système d’enroulement triphasé dont les courants sont redressés afin d’alimenter l’inducteur de l’alternateur.
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FONCTIONNEMENT DES MACHINES SYNCHRONES

Figure 1: symbole de la machine synchrone

- Ev : la valeur efficace de e(t)

En considérant le schéma équivalant par phase de l’alternateur, on pourra écrire :

V = Ev – RI - jXdI  Ev - jXdI car (XdR)

 Pour une charge inductive

Un tel diagramme porte le nom de diagramme de Behn-Eschenbourg.

9. Utilisation d’une machine synchrone en turbo-alternateur

10. Excitation des alternateurs de forte puissance

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