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ELEC2753 - 2012 - Université catholique de Louvain Machines synchrones E. MATAGNE ELEC 2753 Électrotechnique.

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2 ELEC Université catholique de Louvain Machines synchrones E. MATAGNE ELEC 2753 Électrotechnique

3 ELEC Université catholique de Louvain Introduction

4 ELEC Université catholique de Louvain 3 Les machines synchrones sont les générateurs électriques AC les plus utilisés. On les appelle alternateur quand elles sont utilisées en génératrice. La gamme de puissance va de quelques watts (W) (magnéto de vélo) au gigawatt (GW) (alternateurs des centrales nucléaires). (combien de MW vaut un GW ? Quest-ce quun MW ?) Cest le seul type de machine utilisé à ce niveau de puissance.

5 ELEC Université catholique de Louvain 4 Alternateurs

6 ELEC Université catholique de Louvain 5 Procédé de production 01 (réseau EDF) Cas général dune centrale hydraulique BarrageRéserve deau Conduite forcée Canal de fuite TURBINE ALTERNATEUR TRANSFORMATEUR Bâtiment de la centrale Cheminée de succion Autres procédés Voir EAU Matière dœuvre entrante Lignes THT

7 ELEC Université catholique de Louvain 6

8 7

9 8 Note : les images qui précèdent concernent des centrales hydrauliques où les alternateurs tournent lentement. Les alternateurs des centrales thermiques (nucléaires comprises) sont moins impressionnants parce que, comme ils tournent plus vite, ils sont capables pour un même volume de fournir une puissance plus grande…. Ils semblent donc petits en comparaison de la turbine.

10 ELEC Université catholique de Louvain 9 On utilise aussi les machines synchrones en moteur (exemple : TGV atlantique)

11 ELEC Université catholique de Louvain 10 Puissance:1130 kW Tension: 1200Vrms Vitesse: 4000tr/min Rendement: 96% Poids:1525Kg 4 moteurs par motrice

12 ELEC Université catholique de Louvain 11 Moteur monté sur bogie Loco BB 15055; 5,6 MW; 6,9 tonnes

13 ELEC Université catholique de Louvain 1. Dispositions constructives

14 ELEC Université catholique de Louvain 13 Une machine synchrone est une machine à champ tournant. Les deux parties séparées par lentrefer jouent des rôles différents. Le champ est fixe par rapport à lune de ces parties, nommée inducteur (normalement au rotor). Linducteur est muni dun enroulement alimenté en DC, dun aimant permanent ou (non exclusif) de saillances magnétiques. Le champ est mobile par rapport à lautre partie, nommée induit (normalement au stator). Linduit est muni dun système triphasé (ou polyphasé) denroulements, Il existe des machines synchrones inversées (plus rares) dont linduit est au rotor et linducteur au stator.

15 ELEC Université catholique de Louvain 14 Comme pour les autres machines à champ tournant, le nombre de paires de pôles est le même au stator et au rotor. Le stator dune machine synchrone est à pôles lisses et est muni dun système triphasé denroulements (comme celui dune machine asynchrone). La vitesse de rotation est égale à la vitesse de synchronisme (pourquoi ?) ou

16 ELEC Université catholique de Louvain 15 La configuration normale (induit au stator) est normalement la plus intéressante. En effet, les enroulements situé au rotor sont normalement connectés au circuit extérieur via un système de bagues et de balais. Or, cest linduit qui échange le plus de puissance avec lextérieur (car cest lui seul qui intervient dans le processus de conversion dénergie). On préfère donc laisser linduit au stator et alimenter si nécessaire linducteur par un système de bagues et de balais. Linducteur étant fixe par rapport au champ magnétique, il ne présente pas de pertes magnétiques. On peut le constituer de fer massif et il est donc plus robuste, ce qui est plus utile au rotor.

17 ELEC Université catholique de Louvain 16 Induit dune machine de configuration normale Linduit (stator) est à pôles lisses. Il est similaire au stator dune machine asynchrone.

18 ELEC Université catholique de Louvain 17 Induit dune machine de configuration normale Pour obtenir des pôles lisses, on place les conducteurs dans des encoches petites, donc nombreuses. Les têtes de bobines

19 ELEC Université catholique de Louvain 18 Rotor à pôles saillants Souvent plusieurs paires de pôles (p >> 1). Cest le rotor seul qui présente des saillances. Pôles profilés pour obtenir un champ sinusoïdal.

20 ELEC Université catholique de Louvain 19 Exemple dalternateur à pôles saillants à axe horizontal. Les pôles saillants conviennent pour les alternateurs lents (centrales hydrauliques, par exemple centrales de pompage) car ils permettent une construction avec un grand nombre de pôles. Forme souvent aplatie. Exemple : pour un alternateur de 100 MVA 300 t/m : rotor de 5 m de diamètre et 1 m de longueur axiale)

21 ELEC Université catholique de Louvain 20 Les rotors à pôles lisses La répartition des encoches permet d obtenir un champ sinusoïdal. Ce sont les rotors utilisés dans les alternateurs des centrales thermiques (nucléaires, gaz, mazout, charbon). Ordre de grandeur pour un alternateur de 100 MVA 3000 t/m : rotor de 1 m de diamètre et 5 m de longueur axiale.

22 ELEC Université catholique de Louvain 21 Il existe aussi, pour des machines plus petites, des inducteurs à aimants permanents. Avantages : pas de liaison du rotor avec l extérieur et pas de pertes Joule. Inconvénients : prix, absence de possibilité de réglage, donc pertes magnétiques max., et difficultés constructives (solutions : frettes, rotor situé à lextérieur du rotor…). Exemple avec pôles saillantsExemple avec pôles lisses aimants enterrésaimants montés en surface

23 ELEC Université catholique de Louvain 2. Équations en régime permanent

24 ELEC Université catholique de Louvain 23 Force électromotrice sur une spire Sur une spire, en supposant que le champ dentrefer est réparti de façon sinusoïdale et que sa vitesse de rotation est constante, on a (supposant le déphasage nul) En électrotechnique, on appelle force électromotrice la tension induite par le flux magnétique principal. Ce nest pas la notion vue en physique ! Soit c le flux maximum encerclé par une spire du stator ( flux par pôle). Donc, en prenant la dérivée du flux Valable aussi dans une machine asynchrone. Dans le cas dune machine synchrone, on peut remplacer synchr. par m. Le /2 est là pour se rapprocher de notations habituelles

25 ELEC Université catholique de Louvain 24 Force électromotrice sur un enroulement Sur une spire du stator, on a La force électromotrice dun enroulement vaut, en posant m le nombre denroulements (phases) du stator (le plus souvent m = 3) n le nombre total de conducteurs actifs du stator (deux pour chaque spire)

26 ELEC Université catholique de Louvain 25 On peut mettre cette équation sous la forme phasorielle où et où s est la pulsation électrique au stator, qui vaut s = p m. s = p m. Phaseur force électromotrice

27 ELEC Université catholique de Louvain 26 Eléments série La force électromotrice d un enroulement n est égale à sa tension que si aucun courant ne le parcourt. En présence d un courant, il faut tenir compte de la chute de tension ohmique R a i du flux de fuite (flux associé au courant i mais qui ne traverse pas l entrefer). Le flux de fuite effectue une partie substantielle de son trajet dans l air (intérieur de l encoche, isthme ou bord de l entrefer). On suppose souvent que la relation entre ce flux et le courant est linéaire et qu elle ne dépend pas de la valeur du flux principal. Avec cette hypothèse, le flux de fuite vaut a = L a i

28 ELEC Université catholique de Louvain 27 Eléments série La tension d un enroulement vaut donc, en phaseurs, en définissant la réactance X a = L a ou si sens de référence « récepteur » si sens de référence « générateur » Attention : X a et L a sont des paramètres cycliques : on ne peut pas les mesurer sur une phase seule.

29 ELEC Université catholique de Louvain 28 Ces équations peuvent se mettre sous la forme d un circuit équivalent Ce circuit équivalent est incomplet : il faut encore préciser comment la tension E induite par le flux principal est liée aux courants.

30 ELEC Université catholique de Louvain 29 Expression du flux principal Le flux principal ne dépend pas seulement du courant i f de l inducteur. Il dépend aussi du courant I de l induit. Ce phénomène s appelle la réaction d induit. Pour l étudier, on suppose que les effets du courant d inducteur et du courant d induit sur le flux principal sont identiques, à un rapport de transformation près. Il faut tenir compte d un déphasage entre ces deux effets. D une part, la position de l inducteur, exprimée en angle électrique, vaut p, où p est le nombre de paires de pôles et la position du rotor. D autre part, en régime permanent, le courant d induit occupe une position t + i. L écart entre ces deux positions reste constant puisque = o + m t en régime permanent, où o est la position du rotor à l instant t = 0. Pour une question de facilité, lorigine de cet angle est choisie ici de telle sorte que linducteur soit en quadrature magnétique arrière par rapport à la première phase du stator lorsque langle de position est nul.

31 ELEC Université catholique de Louvain 30 L hypothèse ci-dessus peut s exprimer sous forme de phaseur : le flux principal est supposé entièrement déterminé par un « courant magnétisant » valant où i f est le courant d inducteur (nous utilisons une minuscule, bien que ces équations concernent le fonctionnement en régime, pour nous conformer à la coutume en la matière). Le /2 vient de la convention choisie pour lorigine de langle o. La question est de savoir quel est le lien entre le courant magnétisant et le flux principal !

32 ELEC Université catholique de Louvain 31 Cas des machines synchrones à pôles saillants La situation est assez complexe lorsque la machine est à pôles saillants. En effet, dans ce cas, l action du courant d induit sur le champ principal dépend de la position de ce courant par rapport à l inducteur. Nous allons examiner les deux cas extrêmes d un courant tel que l axe magnétique du courant d induit soit décalé de 90° électrique par rapport à celui de l inducteur (courant transversal, ou en quadrature) ou tel que l axe magnétique du courant d induit coïncide avec celui de l inducteur (courant longitudinal, ou direct) Dans le cas général, on peut décomposer le courant d induit en un courant direct et un courant en quadrature !

33 ELEC Université catholique de Louvain 32 Dans le premier cas (courant en quadrature), l effet du courant est de s opposer au flux d inducteur à une extrémité des pôles et de le renforcer à l autre extrémité (cet effet est analogue à celui de la réaction transversale dans les machines à courant continu). Si on fait abstraction de la saturation, l effet global est nul, mais l axe magnétique du pôle est décalé.

34 ELEC Université catholique de Louvain 33 Dans le second cas (courant direct), l effet du courant d induit se combine à celui de l inducteur. Il peut soit réduire l effet du courant d inducteur (comme dans le cas représenté), soit le renforcer. Selon le cas, on dira que le courant d induit est démagnétisant ou magnétisant.

35 ELEC Université catholique de Louvain 34 La modélisation des machines synchrones à pôles saillants s effectue en séparant le courant I et le flux en une composante directe et une composante en quadrature. Dans le cas d une machine non saturée (caractéristique magnétique linéaire), le flux direct est proportionnel au courant direct et n est pas influencé par le courant en quadrature. De même, le flux en quadrature est proportionnel au courant en quadrature et n est pas influencé par le courant direct. C est la théorie de la double réaction, due à Blondel. Cette théorie ne donne cependant pas de très bons résultats en pratique car les machines sont habituellement saturées. Dans le cas d une machine saturée (caractéristique magnétique non linéaire), chaque composante du flux dépend des deux composantes du courant : c est ce que l on appelle la saturation croisée. Ceux qui souhaitent en savoir plus peuvent consulter la page :

36 ELEC Université catholique de Louvain 35 Même dans le cas linéaire, on ne peut représenter le comportement d une machine synchrone à pôles saillants par un circuit monophasé équivalent unique : il faudrait deux circuits équivalents, l un pour « l axe direct » et l autre pour « l axe en quadrature ». Cela conduit à une étude plus compliquée que celle faite pour le transformateur et la machine asynchrone. Pour linstant, nous nous intéresserons uniquement au modèle des machines à pôles lisses. L effet du courant est facile à modéliser si l inducteur est à pôles lisses. En effet, dans ce cas, le courant est associé à un flux tel que la relation entre ces deux grandeurs ne fait plus intervenir la position du rotor. On obtient alors le circuit équivalent de la dia suivante.

37 ELEC Université catholique de Louvain 36 Dans le cas d une machine à pôles lisses, les équations sont entièrement décrites par le circuit équivalent ci-dessous (circuit équivalent de Potier). On a également ajouté le circuit équivalent de l inducteur, qui, en régime, est découplé du circuit d induit et se réduit à une résistance R f puisque les flux vus par l inducteur sont constants. Dans ce circuit équivalent, les éléments X r et R sont barrés pour rappeler qu il s agit d éléments non linéaires (à cause de la saturation magnétique). On a désigné la tension et le courant d inducteur par une minuscule, bien qu on soit en régime, pour suivre la coutume. Nous appellerons ce circuit « circuit équivalent de référence ». Pour revenir aux notations du livre :

38 ELEC Université catholique de Louvain 37 Bilan de puissance Considérons à nouveau le circuit équivalent de référence des machines à pôles lisses. Les grandeurs de ce circuit équivalent ont une signification physique. 3 R a I 2 correspondent bien aux pertes par effet Joule. 3 E 2 /R ou E L 2 /R correspondent bien aux pertes magnétiques du stator ( que dire du rotor ?). R f I f 2 correspond bien aux pertes d excitation. La puissance convertie en puissance mécanique est donc clairement le triple de la puissance de la source de courant !

39 ELEC Université catholique de Louvain 38 Remarque sur les modèles Le circuit équivalent n est pas LA réalité, mais un modèle (représentation de la réalité). Le modèle parfait n existe pas : il faut faire un compromis entre la précision du modèle sa simplicité (on doit être capable de déterminer la valeur de ses paramètres, puis de l utiliser pour prédire le comportement du dispositif dans d autres situations) Le circuit équivalent de référence présenté aux dias précédentes est satisfaisant du point de vue de la précision (du moins pour les machines à pôles lisses), mais on peut le trouver un peu trop compliqué.

40 ELEC Université catholique de Louvain 39 Circuit équivalent simplifié Peut-on simplifier le circuit équivalent des machines à pôles lisses ? Nous allons remplacer la partie de droite par son équivalent de Thévenin, soit une source de tension de valeur étant l impédance résultant de la mise en parallèle de R et jX r.

41 ELEC Université catholique de Louvain 40 On obtient ainsi Remarques : dans ce circuit équivalent, la puissance dissipée dans R ne correspond plus aux pertes magnétiques, puisque sa tension n est plus égale à E. Il en résulte que la puissance convertie n est pas tout à fait la puissance de la source de tension ! E o n est pas fonction uniquement de i f : elle dépend aussi du niveau de saturation. Le niveau de saturation n est fonction ni de i f seul, ni de E o seul, ni de I seul. Par contre, le niveau de saturation est fonction de E seul (voir circuit de référence à la dia précédente)

42 ELEC Université catholique de Louvain 41 En théorie des circuits, on sait que, à une fréquence fixée, on peut toujours remplacer un dipôle formé de plusieurs éléments par un équivalent formé seulement de deux éléments en série. Appliquant cette recette au circuit équivalent ci-dessus, on obtient un circuit équivalent simplifié comportant une réactance X s (que l on appelle la réactance synchrone) et une résistance R s. Compte tenu des ordres de grandeurs habituels, on peut souvent confondre R s avec R a. Remarque : ce circuit ne fournit plus la force électromotrice E.

43 ELEC Université catholique de Louvain 42 Rappel On peut arriver au même résultat en considérant que le rotor équivaut au rotor dune machine asynchrone à rotor bobiné triphasé dont on nutiliserait quune partie. Dans cette formule, s L cs est la réactance synchrone X s et le dernier terme nest autre que Dans le cas linéaire, on obtient :

44 ELEC Université catholique de Louvain 43 Si l on souhaite pouvoir déterminer la force électromotrice E, on peut scinder la réactance synchrone X s en les réactances X r et X a. Cela revient à négliger l effet de la résistance R. On obtient Remarque : on appelle souvent E o la force électromotrice à vide. Cette interprétation est peu précise car elle ne tient pas compte de la saturation magnétique. De même, le flux o qui induirait une force électromotrice E o n est pas le flux dû à l inducteur seul !

45 ELEC Université catholique de Louvain 44 Si on fait abstraction des pertes magnétiques, langle de phase de est eo = p o. En effet

46 ELEC Université catholique de Louvain 45 La puissance convertie nest pas la puissance de la source de tension, sauf si on fait abstraction des pertes magnétiques. En ce cas P conv = 3 E o I cos ( eo – s ) où eo est langle de phase de E o (qui dépend de la position du rotor) et s langle de phase du courant (on suppose que la tension sert de référence de phase). Si on néglige aussi la résistance R a on peut trouver une expression encore plus simple. Preuve

47 ELEC Université catholique de Louvain 3. Diagramme vectoriel

48 ELEC Université catholique de Louvain 47 Dans cette partie du texte, nous considérons que le sens de référence du courant d induit est le sens générateur. A titre dexemple, le circuit équivalent de référence est donc

49 ELEC Université catholique de Louvain 48 Diagramme phasoriel Nous allons construire le diagramme phasoriel en nous posant la question suivante : quel sera le courant d excitation i f nécessaire pour alimenter une charge sous une tension U imposée, sachant que la charge consommera un courant I à facteur de puissance cos fixés. Prenant la phase de la tension comme référence, on peut tracer le phaseur, puis. Le second forme avec le premier un angle, pris dans le sens anti-horlogique ou horlogique selon que le courant est capacitif ou inductif).

50 ELEC Université catholique de Louvain 49 En utilisant le circuit équivalent simplifié, on peut calculer les phaseurs correspondant aux chute de tension sur R s et X s, et donc trouver E o en ajoutant ces phaseurs au phaseur tension. On sait que le courant d excitation i f est proportionnel à E o, ce qui achève la détermination. Pour tracer le diagramme de cette façon, il faut estimer indépendamment le niveau ce saturation (sur base de U, puisque E n a pas été déterminé).

51 ELEC Université catholique de Louvain 50 Un graphe plus précis est possible si l on a déterminé X a, car on peut alors déterminer E et en déduire la valeur précise de X r avant de terminer le diagramme, comme indiqué ci- contre.

52 ELEC Université catholique de Louvain 51 Sur ce diagramme, nous avons supposé la charge inductive (courant en retard). Dans ce cas, E o est normalement en avance sur U d un angle inférieur à 90° et E o est plus grand en norme que U. Dans le cas d une charge capacitive, on peut arriver aux conclusions opposées, comme le montre le diagramme ci-dessous. Le courant d excitation nécessaire est donc plus petit. Il peut même arriver que l aimantation rémanente de l inducteur suffise (autoamorçage) quand la charge est très capacitive. On constate que, pour fournir de la puissance réactive, il faut un courant d excitation plus élevé que pour en consommer.

53 ELEC Université catholique de Louvain 52 Un cas particulier intéressant est celui où le courant dinduit est purement réactif. Dans ce cas, on a approximativement (il faut que R a soit relativement petit) E U ± X a I et E o U ± X s I

54 ELEC Université catholique de Louvain 53 Pour réaliser un point de fonctionnement, il ne suffit pas d appliquer le courant d excitation adéquat. Il faut évidemment aussi fournir à l alternateur, sous forme mécanique, une puissance égale à la puissance électrique que son induit transmet à la charge ( augmentée des pertes mécaniques, magnétiques et Joule de l alternateur). Pourquoi les pertes d excitation ne sont-elles pas citées ci-dessus ?

55 ELEC Université catholique de Louvain 3. Détermination expérimentale des paramètres

56 ELEC Université catholique de Louvain 55 Essai en alternateur à vide On entraîne la machine, induit non connecté, à vitesse nominale. On relève la caractéristique U o -i eo (tension à vide - courant d excitation à vide). Cette caractéristique n est pas linéaire, bien qu elle soit normalement moins saturée que celle d une machine DC (car l entrefer est plus grand). On l appelle « caractéristique magnétique ». La figure ci-contre donne l allure de cette caractéristique (nous n avons pas considéré l effet de l hystérésis ni du champ rémanent). Pourquoi y a-t-il un facteur racine de trois ?

57 ELEC Université catholique de Louvain 56 Remarque 1 : dans le cas des machines dont l inducteur ne comporte pas d enroulement, mais seulement des aimants permanents, on ne peut relever qu un seul point de la caractéristique. Remarque 2 : la tension U o est pratiquement proportionnelle à la vitesse de rotation. Si on n a pas pu faire l essai exactement à vitesse nominale, on peut effectuer une règle de trois pour obtenir la caractéristique cherchée.

58 ELEC Université catholique de Louvain 57 Or, à vide, on sait que E = U o. Compte tenu de la forme du circuit équivalent de référence, on peut considérer la caractéristique magnétique comme une fonction reliant la force électromotrice E à un courant d excitation effectif i f eff défini par Si on connaît, on peut trouver pour chaque point de la courbe la valeur de Z correspondante (donc de X r si on néglige l effet de R ). Malheureusement, la détermination de est relativement difficile de sorte que l on cherche à utiliser directement la caractéristique magnétique.

59 ELEC Université catholique de Louvain 58 Pour cela, il suffit de remarquer que la transformation de Thévenin qui conduit au circuit équivalent simplifié établit une relation linéaire entre E o et i f. La figure ci-contre montre quelle est cette relation. Malheureusement, à cause de la saturation magnétique, la droite E o -I f dépend du point de fonctionnement considéré ! Pour une approche qualitative du comportement de la machine, on néglige souvent la saturation, auquel cas on peut écrire E o = Z i f où Z est une constante. On a pratiquement Z = X r.

60 ELEC Université catholique de Louvain 59 Note sur les pertes magnétiques Si, pendant l essai à vide d une machine synchrone, on mesure la puissance mécanique consommée par la machine, cette puissance correspond à la somme des pertes mécaniques et des pertes magnétiques. Si on exprime ces pertes en fonction de U o, on peut séparer les pertes mécaniques (la limite quand U o tend vers 0) des pertes magnétiques. On peut considérer que les pertes magnétiques sont en fait fonction de E (qui égale U durant l essai à vide) Remarque 1 : la séparation des pertes mécaniques et magnétiques n est pas possible dans le cas d une machine à aimants permanents. Remarque 2 : la courbe doit être relevée à vitesse constante. Une règle de trois n est pas possible car les pertes ne sont pas proportionnelles à la vitesse.

61 ELEC Université catholique de Louvain 60 Conclusions : les mesures effectuées durant l essai à vide permettent de déterminer R, pourvu que l on puisse mesurer la puissance mécanique. Par contre, les mesures effectuées durant l essai à vide ne permettent de déterminer X r que si on connaît. Il faut donc soit déterminer par un autre procédé soit utiliser le circuit équivalent simplifié, qui ne nécessite pas la détermination de X.

62 ELEC Université catholique de Louvain 61 Comportement en court-circuit Si l on considère le circuit équivalent de référence avec induit court-circuité, on voit que le courant de court-circuit s obtient en appliquant au courant i f / l effet d un diviseur de courant formé de Z et Z a. On obtient ainsi Nous avons ajouté l indice ns pour indiquer que, dans cet essai, Z n est pas saturé, comme nous allons le montrer.

63 ELEC Université catholique de Louvain 62 Lors d un fonctionnement à induit court-circuité, la force électromotrice E est égale à la chute de tension sur R a et X a. Or, ces éléments, étant de vrais éléments série, sont relativement petits. Plus précisément, la chute de tension qu ils occasionnent, même pour un courant égal au courant nominal, reste petite par rapport à la tension nominale. On en déduit que, pendant un fonctionnement en court-circuit, la force électromotrice E reste petite, donc que X r n est pas saturé et garde donc une valeur pratiquement constante. Le courant de court-circuit est donc proportionnel au courant d excitation. Cette remarque est utile, car il n est normalement pas possible d effectuer un essai en court-circuit à courant d excitation nominal (le courant I dépasserait largement le courant nominal). On effectue donc l essai à courant d excitation réduit et on extrapole la droite obtenue.

64 ELEC Université catholique de Louvain 63 Remarque : Le courant de court-circuit dépend peu de la vitesse de rotation. En effet, le diviseur de courant formé de Z et Z a est essentiellement inductif, de sorte que ces deux impédances restent dans le même rapport malgré la variation de la fréquence (sauf si la vitesse, donc la fréquence, devient si faible que la résistance R a devient comparable à X a ).

65 ELEC Université catholique de Louvain 64 L équation Ne permet pas de déterminer parce que le dernier facteur n est pas tout à fait égal à 1 (bien que, ordinairement, Z soit d un ordre de grandeur supérieur à Z a ). Cependant, si on considère une valeur de E o et une valeur de I cc correspondant au même courant d excitation i f, le rapport de ces deux grandeurs ne contient plus. On a

66 ELEC Université catholique de Louvain 65 Cette approximation se réduit à une égalité si on fait abstraction de ce que Z est saturé à vide et non saturé en court-circuit, autrement dit si on suppose le modèle linéaire. C est aussi la conclusion à laquelle on arrive par une application abusive du circuit équivalent simplifié. On peut donc écrire

67 ELEC Université catholique de Louvain 66 En pratique, R s R a. On peut donc, connaissant Z s et R a, calculer Comme, généralement, Z s est beaucoup plus grand que R a, la correction est illusoire, surtout si Z s a été déterminé aussi grossièrement qu expliqué ci-dessus. On considère donc souvent que X s = Z s

68 ELEC Université catholique de Louvain 67 Pour déterminer un circuit équivalent plus précis, même simplifié, on ne peut pas se contenter d un essai à vide et d un essai en court-circuit. Il existe un essai, dit « essai en déwatté » qui, joint aux essais à vide et en court- circuit, permet de déterminer et X a, donc finalement tous les éléments du circuit équivalent de référence. Cet essai consiste à relever la relation entre le tension dinduit et le courant dexcitation lorsque lalternateur débite un courant purement réactif (cos = 0 ). Dans ces conditions, la chute de tension sur R a est en quadrature avec la tension, tandis que la chute de tension sur X a est en phase avec la tension. On en déduit que E U a + X a I a et que la force électromotrice est en phase avec la tension. la force électromotrice étant en phase avec la tension, le courant magnétisant est en quadrature avec la tension, donc en phase avec le courant dinduit. On en déduit que i f i fo + I a.

69 ELEC Université catholique de Louvain 68 On trace la caractéristique avec courant réactif sur le même graphe que la caractéristique magnétique relevée durant lessai à vide. Pour trouver les points qui se correspondent sur les deux caractéristiques (même E et donc aussi même courant magnétisant), comme C et A sur le graphique, il faut chercher la direction dans laquelle la caractéristique déwattée doit glisser pour coïncider avec la caractéristique magnétique. Ceci nest possible que grâce à la non linéarité des courbe.

70 ELEC Université catholique de Louvain 69 En effet, si X a >> R a, le courant de court- circuit est en quadrature avec la force électromotrice. Potier a proposé une méthode graphique qui ne nécessite, en plus du point en court-circuit, quun seul point de la caractéristique déwattée ! A noter que le point à tension nulle de la caractéristique déwattée correspond approximativement à lessai en court-circuit.

71 ELEC Université catholique de Louvain 3. Utilisation en alternateur Alimentation du circuit dexcitation

72 ELEC Université catholique de Louvain 71 Nous avons vu que le courant d excitation nécessaire dépendait fortement de l amplitude et de la phase du courant d induit débité. Souvent, le courant consommé par la charge évolue dans le temps, et il faut donc ajuster en permanence la valeur du courant d excitation. Le problème de l excitation présente donc deux aspects la réalisation d une source DC continue pour l excitation le réglage (si possible automatique) du courant d excitation. Nous allons examiner quelques possibilités.

73 ELEC Université catholique de Louvain 72 Excitation shunt On prélève lénergie nécessaire à lexcitation à la sortie de linduit. Un redresseur (G) (ensemble de diodes de puissance) est nécessaire. La tension de sortie dépend du courant débité.

74 ELEC Université catholique de Louvain 73 Excitation compound (obsolete) On peut tenir compte du courant débité, mais cela nécessite une somme vectorielle. Par rapport au système shunt, on utilise un inducteur à faible résistance et on limite le courant par une inductance placée avant le redresseur. L effet compound est obtenu en ajoutant, côté alternatif, un courant proportionnel au courant débité.

75 ELEC Université catholique de Louvain 74 Excitation shunt avec régulation électronique On remplace le redresseur à diode par un redresseur commandé (à thyristors). Un régulateur (R) mesure la tension de sortie et ajuste le courant d excitation en conséquence.

76 ELEC Université catholique de Louvain 75 Emploi d une dynamo excitatrice Une dynamo est une machine DC utilisée en génératrice (les machines DC seront étudiées plus loin dans le cours). Une partie de lénergie mécanique peut être utilisée par une telle machine (E) pour fournir le courant dexcitation de lalternateur.

77 ELEC Université catholique de Louvain 76 Emploi d un alternateur d excitation (système « brushless ») Dans le cas des gros alternateurs (A), la génératrice d excitation (E) est souvent un alternateur inversé suivi d un redresseur fixé sur l axe (donc tournant avec celui-ci). Il y a parfois une troisième machine (P), de petite taille, pour exciter la seconde ! Cette dernière est commandée par le régulateur (R).


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