bandeau

BTS Electrotechnique (deuxième année)

MS

LES MACHINES SYNCHRONES TRIPHASEES

AVERTISSEMENT IMPORTANT : Les pages suivantes utilisent l'éditeur de formules mathématiques mathml. Le navigateur que vous utilisez ne permet pas d'afficher correctement les formules mathématiques.
Je recommande vivement, pour obtenir une qualité d'affichage optimale, d'utiliser firefox comme navigateur.

6. Réglage d’un alternateur triphasé

6.1. Cas d’un alternateur seul (groupe électrogène)

6.1.1. Position du problème

En utilisation normale, un groupe électrogène doit fournir une tension dont la valeur efficace et la fréquence sont les plus constantes possible. La charge pouvant varier dans des proportions importantes, un dispositif électronique de régulation (asservissement), agissant sur l’intensité du courant d’excitation, est donc nécessaire.

Cependant, si l’on doit accepter un mode dégradé, celui-ci impliquera d’accepter préférentiellement une baisse de la fréquence des tensions générées plutôt qu’une baisse de la valeur efficaces de celles-ci.

6.2.1. Exemple de réglage

Pour cette étude, on utilisera le modèle simplifié d’une phase de l’alternateur pour lequel on néglige la résistance d’une phase devant sa réactance :

Modèle équivalent simplifié d'une phase

Comme le but est de maintenir une tension de valeur efficace (et de fréquence) constante, nous tracerons le diagramme synchrone en prenant la tension simple comme référence des phases. Ce qui donne le diagramme suivant :

Modèle équivalent simplifié d'une phase

La longueur du vecteur V doit rester fixe.

φ est le déphasage entre une tension simple et son courant de ligne.

Donc XI.cos φ , c’est-à-dire le segment OP, est une image de la puissance active fournie par l’alternateur à sa charge électrique.

XI.sin φ , c’est-à-dire le segment OQ, est une image de la puissance réactive fournie par l’alternateur à sa charge électrique.

La droite Δ est la droite d’équipuissance active.

Si la machine est sous-excité (EPN trop faible) alors Q<0. Le comportement de l’alternateur est inductif.

Si la machine est sur-excité (EPN trop grand) alors Q>0. Le comportement de l’alternateur est capacitif.

Seul générateur sur le réseau, le réglage du comportement s’effectue en jouant sur le courant d’excitation, donc la fem de l’alternateur selon les caractéristiques de la charge afin de maintenir une tension constante.

Exercice d’application :

On considère un alternateur de 10 kVA remplaçant, dans un groupe électrogène de secours, un réseau triphasé 400 V – 50 Hz. On supposera le circuit magnétique non saturé et Epn = 50 Ie. La réactance synchrone d’une phase vau alors Xs = 8,5 Ω.

Déterminer, pour une charge nominale de facteur de puissance 0,89, la valeur du courant d’excitation.

Même question pour une charge à la moitié de la puissance nominale et un facteur de puissance de 0,928.

6.2. Cas d’un alternateur couplé sur un réseau de puissance infinie (centrale de production d’énergie électrique)

6.2.1. Couplage d’un alternateur sur le réseau de distribution de l’énergie électrique

L’alternateur étant entraîné par une machine d’entraînement (turbine, moteur électrique ou moteur thermique), les conditions de couplage d’un alternateur sur le réseau sont les suivantes :

  • La tension de l’alternateur doit être égale à celle du réseau.
  • La fréquence de l’alternateur doit être égale à celle du réseau.
  • La tension de l’alternateur doit être en phase avec celle du réseau.
  • L’ordre des phases de l’alternateur doit être la même que celle du réseau.

Machine synchrone couplée sur le réseau

Lorsque l’on branche un alternateur sur un réseau comportant plusieurs centaines d’autres alternateurs, le réseau est tellement puissant qu’il impose la tension et la fréquence. On parle alors de réseau infini.

On ne peut plus faire varier alors que deux paramètres :

  • Le courant d’excitation
  • Le couple mécanique exercé par la turbine.

Lorsque l’on synchronise un alternateur, la tension induite EPN est égale à la tension simple V du réseau. Il n’existe donc aucune différence de potentiel aux bornes de la réactance synchrone. Par conséquent le courant I est nul et, bien que l’alternateur soit raccordé au réseau, il n’y débite aucune puissance. On dit que l’alternateur « flotte » sur le réseau.

6.2.2. Réglage d’un alternateur couplé sur le réseau de distribution de l’énergie électrique

Décalage interne du rotor

Considérons un alternateur qui flotte sur le réseau pour lequel EPN = V. Augmentons le courant l’excitation, la fem EPN augmente et la réactance synchrone X est soumise à une tension EPN - V. Un courant s’établit dans le circuit. Il est déphasé en arrière de EPN et donc de V aussi. Donc le réseau voit l’alternateur comme une capacitance, c’est-à-dire que celui-ci fourni de la puissance réactive comme le montre le diagramme synchrone ci-dessous. On parle de compensateur synchrone, la machine synchrone (elle fonctionne ici en moteur) permet ici de compenser l’énergie réactive absorbée par l’installation (si la machine est bien réglée).

Diagramme de Fresnel en compensateur synchrone

Considérons de nouveau un alternateur qui flotte sur le réseau. Augmentons maintenant le couple mécanique fournit par la machine d’entraînement (on ouvre les vannes de la turbine par exemple). Celle-ci tant à accélérer, mais comme la fréquence de rotation de l’alternateur est imposée par celle du réseau, la conséquence est que les pôles du rotor se décale en avance par rapport au pôle du stator. On parle d’angle de décalage interne de l’alternateur (cf figure ci-contre).

Cet angle α est lié à l’angle θ entre le vecteur E PN  et le vecteur V  par la relation θ = p.α, où p est le nombre de paire de pôles. Plus l’angle de décalage augmente, plus l’alternateur va fournir de la puissance active au réseau.

Pour régler la puissance réactive, il ne reste plus qu’à régler le courant d’excitation sachant que le ratio Q/P est imposé par ce qu’attend le gestionnaire du réseau. Par exemple, EDF impose que la puissance réactive fournie soit égale à 40% de la puissance active.

Exercice d’application :

On considère un alternateur de centrale hydroélectrique de puissance apparente nominale Sn = 170 MVA. Il alimente un réseau de tension 15,5 kV – 50 Hz. Le circuit magnétique n'étant pas saturé, la force électromotrice à vide entre phases Ev est proportionnelle au courant d'excitation Iex selon la relation : Ev = 500 Iex (Ev en volts et Iex en ampères).

La caractéristique de court-circuit correspond à la relation : Icc = 300 Iex     (Icc et Iex en ampères)

  1. Calculer la valeur de la réactance synchrone de l’alternateur.
  2. Celui-ci est accouplé au réseau et fonctionne dans les conditions nominales. Tracer le diagramme synchrone d’une phase sachant que le gestionnaire du réseau de distribution de l’énergie électrique impose un ratio puissance réactive / puissance active de 0,4.
  3. En déduire la valeur de la fem, puis du courant d’excitation.
  4. Calculer les valeurs de la puissance active et réactive fournie par l’alternateur.
  5. Sachant qu’à 50 Hz, le groupe turbine alternateur tourne à 600 tr.min-1, et que le rendement de l’alternateur est de 96,2 %, calculer la puissance mécanique et moment du couple fourni par la turbine.

Bibliographie et sites web associés à cette page :

Un commentaire ? Une question ? Une erreur à signaler ? ... Ou juste l'envie de partager une histoire sur la physique ? Utilisez le formulaire ci-dessous.

Attention, les commentaires sont modérés et n'apparaîtront qu'après validation.

Commentaires (0)

Nom
E-mail (Conservé confidentiel)
Page perso
Titre
Commentaire
This comment form is powered by GentleSource Comment Script. It can be included in PHP or HTML files and allows visitors to leave comments on the website.
Accueil | Site Map | Photographies | Mon photoblog | Appareils Photos | Contact | Olivier Wajsfelner, professeur au lycée P. Neruda, St-Martin d'Hères, Isère.