CH27 : L`alternateur synchrone

BTS électrotechnique 1ère année - Sciences physiques appliquées
CH27 : L’alternateur synchrone
Enjeu :
Production d’énergie électrique
Problématique :
Des essais ont été réalisés sur un alternateur
synchrone destiné à être couplé à une éolienne.
Des mesures ont été relevées, mais les conditions
dans lesquelles elles ont été réalisées non pas été
notées.
Pour éviter d’avoir à refaire les mesures, vous
devez retrouver par raisonnement ces conditions
de mesures à partir des relevés.
Rapport au programme :
E – machine synchrone et convertisseur de fréquence :
E1. MACHINE SYNCHRONE :
E1.1. Constitution :
– Principe de fonctionnement
– Réversibilité
Objectifs :
27.1
27.2
27.3
27.4
A l’issue de la leçon, l’étudiant doit :
Connaître les constitutions et les rôles du rotor et du stator pour le fonctionnement
en alternateur
Connaître les deux grandes familles de rotors
Savoir déterminer la fréquence de la tension crée (f.e.m.) connaissant la vitesse du
rotor et le nombre de paires de pôles de la machine
Savoir calculer la valeur efficace de la tension créée l’expression étant donnée
Travail à effectuer :
1. Réaliser la fiche résumée de la leçon en vous aidant de l’annexe du chapitre.
2. Réponse à la problématique :
Les relevés de mesures sont les suivants :
Essai 1 :
Essai 2 :
Essai 3 :
Essai 4 :
On sait que la mesure de e1 a été réalisée pour une valeur de courant d’excitation Ie=1A et une vitesse
de rotation n=1500tr/min.
1. Comparer chacune des tensions e2, e3 et e4 à la tension e1 du point de vue amplitude et fréquence.
2. En déduire quel essai a pu être réalisé pour Ie > 1A et n=1500 tr/min. Justifier.
3. En déduire quel essai a pu être réalisé pour Ie = 1A et n > 1500 tr/min. Justifier.
4. En déduire les conditions de l’essai non identifié par les questions précédentes
5. Quel est le nombre de paires de pôles de cette machine ?
BTS électrotechnique 1ère année - Sciences physiques appliquées
Annexe du CH27 : l’alternateur synchrone
Introduction :
La machine synchrone est un convertisseur électromécanique réversible : elle peut fonctionner en
générateur (alternateur) et en moteur.
C’est le fonctionnement en alternateur qui fera l’objet de ce chapitre. C’est historiquement le
fonctionnement prépondérant de cette machine : on trouve l’alternateur dans toutes les centrales
électriques thermiques, hydrauliques et nucléaires.
Les progrès en électronique de puissance ont ensuite permis le développement d’applications du moteur
synchrone. Les premières rames du métro de Lille en 1983 (VAL 206) étaient équipées de moteur à
courant continu. En 1999, sont apparues de nouvelles rames plus modernes (VAL 208) équipées de
machines synchrones. L’étude du fonctionnement moteur sera étudié dans le module « motorisation
électrique » (semestre 3).
1. Qu’est-ce qu’un champ tournant ?
⃗ est de norme constante et
Un champ tournant est un champ magnétique dont le vecteur représentatif 𝐵
tournant à vitesse constante. Pour mettre en évidence la présence d’un champ tournant, il suffit d’y
placer une aiguille aimantée qui tournera à la même vitesse que celui-ci.
Le moyen le plus simple pour obtenir un champ
tournant est de faire pivoter sur lui-même un
aimant :
2. Quels sont la constitution et le rôle du rotor d’un alternateur synchrone ?
Le rotor est constitué d’un aimant pour les machines de faible puissance ou d’un électroaimant (bobinage
autour d’un matériau ferromagnétique) alimenté en continu pour les autres.
Le rôle du rotor est donc de créer un champ magnétique d’intensité constante. Dans le fonctionnement
en alternateur, le rotor est entraîné par un dispositif annexe dont il reçoit de l’énergie mécanique : cela
peut-être une turbine, une éolienne, un moteur thermique (groupe électrogène), …
Le champ magnétique ainsi crée est alors tournant.
3. Quels sont les différents types de rotor bobinés ?
Il existe deux familles de rotors bobinés :

Les rotors à pôles lisses : dans l’industrie on
trouvera ce type de rotor dans les alternateurs
des centrales thermiques et nucléaires, entraînés
par des turbines à vapeur à grande vitesse (jusqu’à
3000 tr/min)

Les rotors à pôles saillants : ce sont les rotors des
alternateurs des centrales hydrauliques entraînés
par des turbines à eau à plus petite vitesse.
Ils fournissent moins de puissance mais sont plus
facile à fabriquer.
C’est ce type de rotor que l’on trouvera dans les
machines
de
moyenne
puissance
(groupe
électrogène, …)
4. Qu’est-ce que le nombre p ?
C’est le nombre de paires de pôles. Les rotors les plus simples comprennent une paire de pôle : un pôle
nord et un pôle sud (machine bipolaire).
Ce nombre p est généralement supérieur à 1 : sur les représentations ci-dessus, le rotor à pôles lisses
comprend 2 paires de pôles (machine tétrapolaire) tandis que la machine à pôles saillants en comporte 3
(machine hexapolaire)
5. Comment alimente-t-on les rotors bobinés ?
Pour les rotors à électroaimant, l’alimentation des bobinages du rotor peut se faire :

par une source de tension continue annexe ;

par auto-excitation : un montage redresseur commandé utilise la tension crée par l’alternateur
pour alimenter les bobinages du rotor ;

par une génératrice à courant continu dont le rotor est placé sur le même arbre que celui de
l’alternateur.
L’alimentation se fait généralement par le biais d’un système balais collecteur entre les alimentations
(fixes) et les bobinages du rotor (tournant) : le contact électrique se fait par frottement, ce qui
provoque l’usure des balais qui doivent être périodiquement changés.
Pour les alternateurs très puissants qui nécessitent des courants d’excitation pouvant atteindre
plusieurs milliers d’ampères, il existe des systèmes d’excitation sans balai. Ces systèmes d’alimentation
comprennent un alternateur à inducteur fixe et induit tournant sur le même arbre que le rotor de la
MS.
6. Quelle est la constitution et le rôle du stator d’un alternateur synchrone ?
Si le rotor est bipolaire (p=1), il suffit de placer au stator 3 bobines décalées de 120° pour obtenir un
réseau de tensions triphasées. Dans les machines synchrones, les conducteurs de l’induit, placés dans
des encoches au stator, sont groupés pour former ces 3 bobines. Ces bobines peuvent alors être
couplées en étoile ou en triangle.
Dans les machines à p>1, il y a p jeux de 3 bobines décalées entre elles de
120°
𝑝
.
Remarque : dans un alternateur monophasé, les conducteurs sont placés de manière diamétralement
opposée au stator pour former une seule bobine.
7. Quelles sont les caractéristiques de la f.e.m. produite par un alternateur synchrone ?
Les N conducteurs formant une phase du stator, sont soumis à un champ magnétique variable (champ
tournant). Selon la loi de Faraday, il apparaît aux bornes de cette phase une f.e.m. proportionnelle à la
variation de flux.
On montre que pour cette f.e.m. créée :

la fréquence a pour expression :
𝒇=
[Hz]

𝒑
𝒏
𝟔𝟎 [tr/min]
Avec : 

n vitesse de variation du rotor ;
p nombre de paires de pôles.
La valeur efficace E (entre phase et neutre) a pour expression :
̂
𝑬 = 𝑲𝒑 𝑵𝒇𝚽
[V]
[Hz] [Wb]
Avec : 



Kp coefficient de Kapp qui dépend de
la machine ;
N nombre de conducteurs par phase ;
f fréquence de la f.e.m. créée ;
̂ flux maximum sous 1 pôle.
Φ
Remarque : si la vitesse est exprimée en tr/s, l’expression de la fréquence devient f=pn.