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BTS Electrotechnique (deuxième année)

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LES MACHINES SYNCHRONES TRIPHASEES

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4. Fonctionnement de l'alternateur

4.1. Excitation de l'alternateur

Une source extérieure de tension continue fournit l’énergie au rotor par l’intermédiaire de balais frottant sur des bagues isolées.

4.2. Etude à vide

Le rotor est entraîné à fréquence de rotation constante.

On relève les variations de la fem d’une phase EPN en fonction du courant d’excitation ie du rotor. EPN est égale à la tension à vide de l’alternateur : EPN = V0.

On relève donc EPN = V0 = f(ie).

Essai à vide : schéma du montage

Comme EPN = K.N.f.Φmax = K.N.p.n.Φmax(ie) = K’.Φmax(ie)         où K’ est une constante.

La caractéristique obtenue donne donc les propriétés du circuit magnétique, elle correspond à la courbe de première aimantation de ce circuit magnétique.

Caractéristique à vide d'un alternateur

Trois zones de fonctionnement :

  • Avant A : fonctionnement linéaire, le circuit magnétique n’est pas saturé.
  • De A à B : coude de saturation, le circuit magnétique reste peu saturé.
  • Après B : le circuit magnétique est saturé.

Si on souhaite éviter la saturation du circuit magnétique, on choisira le courant d’excitation nominal au point A.

4.3. Etude en charge

Le rotor est entraîné à fréquence de rotation constante. Le courant d’excitation est maintenu constant égal à sa valeur nominale.

Le stator est couplé en étoile et débite dans une charge triphasée équilibré réglable. On relève V = f(I).

Pour cela, on réalise le montage suivant :

Essai en charge
Caractéristique en charge

On remarque que la chute de tension aux bornes de l’induit augmente avec la charge.

Cette chute de tension dépend du facteur de puissance de la charge et de la valeur efficace de l’intensité du courant de ligne qu’elle appelle.

4.4. Modèle équivalent d'une phase de l'alternateur

Chaque phase de l’alternateur se comporte comme un générateur de tension parfait de fem EPN et d’une impédance de nature inductive dû à l’inductance et à la résistance d’un enroulement. On modélisera alors une phase de l’alternateur par le schéma équivalent ci-dessous :

Symbole alternateur triphasé
  • EPN  est la fem d’une phase (entre phase et neutre) exprimée en Volt (V).
  • X = Lω est la réactance synchrone d’une phase exprimée en Ohm (Ω).
  • R est la résistance d’un enroulement.
  • I est la valeur efficace du courant de ligne.
  • V est la tension entre phase et neutre (tension simple).

Si on applique la loi des mailles sur le schéma équivalent, on obtient la relation suivante :

V = EPN – jXI – RI

Attention, cette loi des mailles ne peut être appliquée que sur les valeurs instantanées, ou les grandeurs complexes associées, ou les vecteurs de Fresnel associées.

4.5. Diagramme synchrone d'une phase

Le diagramme synchrone d’une phase est le diagramme de Fresnel associé à la loi des mailles obtenues au paragraphe précédent. Il porte aussi le nom de diagramme de Behn-Eschenburg.

Ainsi, vectoriellement, on écrit :     E PN = V + RI + XI

Comme il s’agit d’un schéma série, où le courant et commun à chaque élément du montage, le vecteur  est choisit comme référence des phases :

Diagramme synchrone d'une phase

φ est le déphasage entre une tension simple et son courant de ligne,   donc cos φ correspond au facteur de puissance de la charge électrique alimentée.

4.6. Exercice d'application

On donne EPN = 240 V  , R = 0,5 Ω , X = 25 W.  Déterminer la valeur efficace de la tension entre deux bornes de phases de l’alternateur (stator couplé en étoile), lorsqu’il débite 5 A dans une charge triphasée équilibrée inductive de facteur de puissance 0,85.

Echelle 1 cm : 20 V

4.7. Détermination des éléments du modèle équivalent

La fem est déterminée par un essai à vide comme décrit au paragraphe 4.2.

La résistance d’une phase est mesurée par une méthode voltampèremétrique.

Pour déterminer la valeur de la réactance synchrone, on réalise un essai en court-circuit au cours duquel on relève les valeurs de la valeur efficace du courant de court-circuit ICC en fonction du courant d’excitation ie.

Si l’induit est court-circuité, le schéma équivalent devient :

Schéma équivalent en court-circuit

La loi des mailles devient :  EPN = RICC + jXICC

Comme généralement R est négligeable devant X, EPN = jXICC, équation aussi vérifiée en valeur efficace, donc :

X = E PN I CC

Bibliographie et sites web associés à cette page :

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